Aula 5 - Unidade 3 - Aços, Aços-Liga e Ferros Fundidos_Fases e tratamentos térmicos dos aços

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Materiais de Construção Mecânica 
CCE 0687
Unidade 3 – Aços, Aços-Liga e Ferros Fundidos
Fases e tratamentos térmicos dos aços
Prof. Fábio Oliveira, M.Sc. 
2019
Solução do Carbono no Ferro
A aplicação mais importante de transformação
alotrópica do ferro se encontra nas ligas ferro-
carbono. O carbono forma uma solução sólida
intersticial com o ferro, isto é, os átomos de
carbono se colocam nos interstícios da estrutura
cristalina do ferro.
Estrutura CCC
Solução do Carbono no Ferro
A consequência prática deste tipo de solução é
que teremos uma liga de baixo custo e com
possibilidades de uma grande variação nas
propriedades dependendo do teor de carbono e
do tratamento térmico utilizado.
Estrutura CFC
Fases 
• Austenita (ferro Ƴ): é uma solução
em estado sólido de cementita no
ferro, ou seja, cristais mistos que
contêm átomos
de ferro (CFC).
Fases 
• Ferrita (ferro α): é o ferro
praticamente puro. Possui estrutura
CCC abaixo de 912 °C.
Fases 
• Perlita: microestrutura para o aço
eutetóide, composta por camadas ou
lamelas alternadas de ferrita e
cementita.
Fases 
• Bainita: composta por “agulhas” de
cementita em uma matriz de ferrita.
Fases 
• Martensita: é resultado da
transformação da austenita sem o
processo de difusão. Esta fase
compete com a formação de perlita e
bainita.
Fases 
TCC (tetragonal de corpo centrado)Martensita
Diagrama de Equilíbrio Fe-C
Diagrama de Equilíbrio Fe-C
Reação Eutética: uma fase líquida se
transforma em duas fases sólidas.
Reação Eutetóide: uma fase sólida se
transforma em duas fases sólidas.
Resumo de Fases no Diagrama Fe-C
Aços X Fases
• 0 à 0,80% C: o aço é
composto por ferrita e perlita.
• 0,80 à 0,90% C: o aço é
perlítico.
• Acima de 0,90% C: o aço é
composto de perlita e cementita.
Tratamentos Térmicos
Temperaturas de Transformação - Austenita
Introdução
Tratamento térmico pode ser definido como o
aquecimento ou resfriamento controlado dos
metais feito com a finalidade de alterar suas
propriedades físicas e mecânicas, sem alterar a
forma do produto final.
Introdução
Nem sempre os tratamentos térmicos são
intencionais. Algumas vezes, peças metálicas
sofrem tratamentos térmicos, durante o
processo de fabricação, que podem alterar as
propriedades de forma prejudicial.
Introdução
Como exemplo pode-se citar a operação de
soldagem de estruturas de aço, que ao serem
aquecidas até temperaturas elevadas podem sofrer
têmpera e fragilização, na zona termicamente
afetada (ZTA), comprometendo a tenacidade de
todo o material.
Introdução
Os tratamentos térmicos são frequentemente
associados com o aumento de resistência do
material. Entretanto, podem ser utilizados para
alterar características como usinabilidade ou
estampabilidade.
Introdução
Pode-se dizer, então, que os tratamentos
térmicos são processos de fabricação que
facilitam outros processos de fabricação e
aumentam o desempenho dos produtos através
do aumento da resistência mecânica ou de
outras propriedades.
Recozimento
O recozimento consiste em elevar lentamente
a temperatura do aço até aproximadamente 50
°C acima da temperatura crítica de
austenitização e, em seguida, deixá-lo resfriar
dentro do forno com uma velocidade de ± 25
°C/h até 50 °C abaixo da zona crítica.
Recozimento
Este tratamento garante ductilidade ao aço que,
antes possuía um comportamento frágil.
Normalização
A normalização do aço é feita quando se
deseja refinar o grão do material. Este
tratamento consiste no aquecimento do aço até
60 °C acima da temperatura de austenitização,
garantindo a formação de uma estrutura 100%
austenítica. Em seguida, o aço é retirado do
forno e deixado resfriar ao ar.
Normalização
Como a velocidade de resfriamento é
heterogênea, a microestrutura também será.
Normalização
Têmpera
A têmpera consiste no aquecimento do aço até
uma temperatura 50 °C acima da temperatura
crítica para formação da austenita e, em seguida
resfriá-lo bruscamente em água, óleo ou meios
de têmpera de composição química especial.
Têmpera
O microconstituinte obtido após o tratamento de
têmpera é a martensita, muito dura e frágil.
Têmpera 
Têmpera
Têmpera
Como a taxa de resfriamento é alta, obtém-se,
na verdade, um gradiente de temperaturas
entre a superfície e o centro da peça. Então se a
têmpera foi feita em peças de espessuras
médias e grandes o aço pode apresentar
microestruturas e propriedades mecânicas
diferentes.
Têmpera
Revenimento
O tratamento de têmpera torna as peças muito
duras e frágeis. Geralmente as peças temperadas
são sempre revenidas, visando baixar a dureza e
aumentar a tenacidade. A peça é submetida a um
aquecimento lento até 230 °C. Com isso uma
pequena quantidade de perlita se reorganiza. Este
fato acarreta na formação da martensita revenida.
Austêmpera
Na austêmpera, após a austenitização feita de
maneira semelhante àquela realizada para a
têmpera convencional, o aço é mergulhado em um
banho constituído de uma mistura de sais fundidos,
mantendo a temperatura constante, entre 250 e
450 °C. Obtém-se a microestrutura da bainita, para
os aços tratados por este tratamento térmico.
Austêmpera
Martêmpera
Muitas vezes é conveniente submeter o aço ao
tratamento térmico de martêmpera, que
permite eliminar a diferença de temperaturas e
tempos de transformação entre a superfície e o
núcleo da peça.
Martêmpera
Este tratamento consiste na austenitização do
aço nas temperaturas usuais seguida de
têmpera em óleo aquecido ou em banho de sais
em uma temperatura logo acima da
temperatura Mi, por tempo suficiente.
Martêmpera
Classificação dos Aços 
quanto à Estrutura
.Perlíticos: com ou sem elementos de liga em
teores relativamente baixos (até 5%); suas
propriedades mecânicas podem ser melhoradas,
por têmpera e revenido; usinabilidade pode
também ser melhorada pelo
teor de carbono.
Classificação dos Aços 
quanto à Estrutura
.Martensíticos: quando os teores de
elementos de liga ultrapassam 5%;
apresentam dureza muito elevada e
baixa usinabilidade.
Classificação dos Aços 
quanto à Estrutura
.Austeníticos: caracterizados por reterem este
tipo de estrutura até a temperatura ambiente,
devido aos elevados teores de certos elementos
de liga (Ni, Mn ou Co); os inoxidáveis, não
magnéticos e resistentes ao calor, por exemplo,
pertencem a este grupo.
Classificação dos Aços 
quanto à Estrutura
.Ferríticos: também caracterizados por elevados
teores de certos elementos de liga (Cr, W ou Si),
mas com baixo teor de carbono. Não reagem à
têmpera; no estado recozido apresenta
eventualmente pequenas
quantidades de cementita.
Classificação dos Aços 
quanto à Estrutura
.Carbídicos: apresentam quantidades consideráveis
de carbono e de elementos formadores de
carbonetos (Cr, W, Mn, Ti, Nb e Zr). Sua estrutura
consiste em uma matriz de martensita ou austenita,
dependendo da composição química.
Aços utilizados em ferramentas de
corte e matrizes.
Aços com Baixo Teor de Carbono
- Aços com teor menor que 0,25% p C;
- Não respondem a tratamentos térmicos
objetivando a formação de martensita;
- O aumento de resistência é alcançado a partir de
trabalho à frio;
- Microestruturas presentes: ferrita e perlita;
- Aplicações: estruturas, chapas, etc.
Aços com Médio Teor de Carbono
- Aços com teor entre 0,25% e 0,60% p C;
- Podem ser tratadas por austenitização, têmpera
e revenido para amelhora de suas propriedades
mecânicas;
- Geralmente utilizados com a microestrutura da
martensita revenida;
- Aplicações: trilhos, peças de máquinas, etc.
Aços com Alto Teor de Carbono
- Aços com teor entre 0,60% e 1,40%p C;
- Os mais duros e resistentes e menos dúcteis
dentre todos os aços;
- Geralmente utilizados na condição endurecida e
revenida;
- Aplicações: ferramentas, matrizes, etc.
Microestruturas e suas 
propriedades mecânicas
Microconstituinte Fases presentes Arranjo das fases Propriedades 
mecânicas
Cementita
globulizada
Ferrita α + Fe3C Partículas esféricas
de Fe3C em matriz 
de ferrita α
Pouco resistente e 
dúctil
Perlita grosseira Ferrita α + Fe3C Camadas alternadas 
de ferrita α e Fe3C 
grossas
Mais dura e 
resistente e menos 
dúctil que a 
cementita
globulizada
Perlita fina Ferrita α + Fe3C Camadas alternadas 
de ferrita α e Fe3C 
finas
Mais dura e 
resistente e menos 
dúctil que a perlita
grosseira
Microestruturas e suas 
propriedades mecânicas
Microconstituinte Fases presentes Arranjo das fases Propriedades 
mecânicas
Bainita Ferrita α + Fe3C Partículas muito 
finas e alongadas de 
Fe3C em matriz de 
ferrita α
Dureza e resistência 
maiores que as da 
perlita fina 
Martensita revenida Ferrita α + Fe3C Partículas muito 
pequenas e esféricas 
de Fe3C em uma 
matriz de ferrita α
Resistente mas não 
tão dura quanto a 
martensita porém, 
mais dúctil
Martensita Tetragonal de corpo
centrado, 
monofásico
Grãos com formato 
de agulha
Muito dura e muito 
frágil
Austenita
(ferrita CFC)
Perlita
( + Fe3C)
Bainita
( + partículas Fe3C)
Martensita
(TCC)
Resfriamento
lento
Resfriamento
moderado
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita revenida
Reaquecimento
Resumindo...
Sistema Fe-C
• A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário
para que metade da transformação ocorra:
Exercícios
1. Como o carbono se comporta quando se liga ao ferro? Explique.
2. Quanto à estrutura, como se classificam os aços?
3. O que é têmpera?
4. Defina revenido.
5. Quais são as principais fases do sistema Fe-C?
Exercícios
6. Considerando o diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-
carbono com composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura
final (em termos dos microconstituintes presentes e das porcentagens
aproximadas) de uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes
tratamentos tempo-temperatura. Assuma que tal amostra encontra-se por
tempo suficiente na temperatura 760 °C, obtendo-se uma estrutura totalmente
austenítica.
a) Resfriar rapidamente até 350 °C, manter por 10⁴ s e, então, temperar até
temperatura ambiente.
b) Resfriar rapidamente até 250 °C, manter por 100 s e, então, temperar até
temperatura ambiente.
c) Resfriar rapidamente até 650 °C, manter por 20 s, resfriar rapidamente até
400 °C, manter por 10³ s e, então, temperar até temperatura ambiente.
Exercícios
Exercícios
7. Dê a temperatura mínima aproximada na qual é possível austenitizar
cada uma das seguintes ligas ferro-carbono durante um tratamento
térmico de normalização:
a) 0,20 %p C;
b) 0,76 %p C;
c) 0,95%p C.