Material de Tratamentos

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Definição e conceituação de microestrutura
Características físicas de um material, observadas em escala microscópica, são denominadas microestruturas, ao passo que características observadas a olho nu são consideradas macroestruturas. Para se ter uma ideia de proporção, pode-se definir como microestruturas as características que estão desde 1 nanômetro (1 · 10-9 m, 10 Å) até 1 milímetro (1 mm, 1 · 10-3 m).
Podem ser observadas em microscópios ópticos comuns, com aumento em 1000 vezes, até microscópios de transmissão altamente potentes, que podem chegar a um aumento em 1.500.000 vezes. Muitas características que definem as propriedades dos materiais, como o tamanho de grãos, estão contidas nesta faixa de dimensão.
A composição química e os tratamentos posteriores nos materiais, como tratamento térmico e conformação mecânica, são os elementos que determinam as microestruturas. No caso da composição química, pode-se ter um resultado mais preciso, ou seja, determinada composição resultou em determinada microestrutura. Já no caso dos tratamentos, esta constatação é mais imprecisa.
DICA
Durante a preparação de amostras de aço ou ferro fundido para análise metalográfica, deve-se, após seu lixamento, realizar polimento com alumina ou pasta de diamante. Isso ocorre porque o aquecimento da superfície, durante o lixamento, pode provocar alterações na microestrutura e nos resultados.
Há uma certa relação entre microestrutura, propriedades e processamento, o que significa que determinado processamento permitirá a obtenção de uma microestrutura que, consequentemente, possui certas propriedades. Esta relação, se corretamente aplicada ao material, proporcionará bons resultados durante sua utilização. Se necessário, tudo isso deve ser retrabalhado para que atinja-se o objetivo definido.
MICROESTRUTURAS E FASES
Um material, na maioria das vezes, possui diversas fases. Estas, por sua vez, estão organizadas de uma forma característica. Portanto, a microestrutura é a reunião e o arranjo destas fases. Em uma liga ferro-carbono, pode-se observar uma reunião de duas fases diferentes, formadas por ferrita e cementita (ferro α e Fe3C).
A perlita, como é chamada, é uma reunião de camadas de ferrita e cementita. Com teores bastante baixos de Carbono (menores de 0,04%), só há a formação, ou a fase, da ferrita (ferro α). O mesmo acontece com teores altos de Carbono, em que só se tem a cementita (Fe3C).
CURIOSIDADE
A espectroscopia de energia dispersiva é um tipo de microanálise. Ela pode ser realizada em alguns microscópios de varredura e permite a visualização da composição química em pontos muito específicos de determinadas fases em microestruturas.
LIGAS METÁLICAS
Uma liga metálica pode ocorrer quando dois metais dissolvem-se entre si em nível atômico, formando uma solução. Neste nível atômico, os metais se organizam nas chamadas estruturas cristalinas. Posto isso, pode-se imaginar a liga como sendo o processo em que um átomo de certo elemento é substituído pelo átomo de outro elemento. 
Tem-se o exemplo do cobre e o níquel, nos quais pode ocorrer de 0% a 100% de substituição. Porém, na maioria das ligas, observa-se que há um limite de solubilidade em que existe um valor máximo de substituição dos átomos de um elemento nos cristais de átomos de outro elemento, e vice-versa.
Imaginando-se uma composição qualquer, é correto afirmar que ela pode ser formada pela mistura mecânica de duas ligas com composições diferentes da composição principal. Uma liga composta por chumbo e estanho forma, internamente – e por uma mistura mecânica –, duas ligas diferentes. Uma delas instituída onde a solubilidade do estanho é de, no máximo, 5% (Pb-5%Sn) e outra formada com solubilidade máxima de 1% de chumbo (Sn-1%Pb). Estas duas ligas internas formam-se a uma temperatura de 100 °C, para uma liga de composição principal de 80% Pb e 20% Sn.
A liga, com sua composição principal, será sempre aquela definida na produção. Podem-se formar muitos ou poucos grãos com determinada composição, mas cada um deles terá apenas a composição a ou a composição b. No exemplo citado, a composição da liga é 80% Pb e 20% Sn, mas sua microestrutura era formada por grãos contendo duas composições diferentes (Pb-5%Sn e Sn-1%Pb).
Existe uma solubilidade máxima entre os elementos, que tem relação com algumas condições como tamanho do átomo, estrutura cristalina e outras características. Quando a diferença de tamanho entre os átomos é menor do que 15%, por exemplo, pode ocorrer a solubilidade entre eles (é o caso do Cu e do Ni). Entretanto, quando a diferença é maior, a solubilidade diminui muito, chegando a zero.
Quando um átomo preenche o local pertencente a outro átomo na estrutura cristalina, diz-se que formou-se uma solução substitucional. Quando este átomo preenche vazios, ou lacunas, nesta estrutura, denomina-se solução intersticial.
Existem algumas combinações entre elementos, sejam metais ou não metais, que formam os chamados intermetálicos. Estas combinações encontram-se dentro das ligas e possuem algumas propriedades distintas, como dureza e fragilidade. Sua proporção é fixa, e alguns exemplos são Fe3C, TiNi e Al2Cu, entre outros.
Dentre as fases encontradas no sistema ferro carbono, com teores menores de 1% C, pode-se observar que elas são iguais àquelas encontradas no ferro puro, com exceção da cementita, ou Fe3C. Uma quantidade extremamente pequena de carbono dissolve-se no ferro, formando a ferrita (0,004% C). Mesmo assim, existem aços que possuem teores de carbono maiores do que 1%. Para isto acontecer, normalmente, há uma mistura mecânica entre a ferrita e a cementita. Isso ocorre porque a ferrita é saturada de carbono, ao passo que a cementita é uma fase com maior teor de carbono. Quando há mudança de temperatura as fases e as proporções variam, e isso pode ser observado no diagrama ferro carbono (Gráfico 1).
Gráfico 1. Fases da liga Fe-C em função da temperatura e da composição. Fonte: CALLISTER, 2011, p. 211. (Adaptado).
Mecanismos de endurecimento de metais
Quando um material sofre algum tipo de deformação, normalmente, sua dureza aumenta, em detrimento de sua ductilidade e tenacidade.
Na maioria das vezes, quando uma ou mais propriedades são melhoradas, outras acabam piorando. Assim sendo, existem diversos tipos de mecanismos de endurecimento de metais, e a restrição ao movimento das discordâncias em um metal provoca o aumento de sua resistência mecânica.
Por isso, um princípio simples para aumentar a resistência mecânica de um material é a restrição do movimento de suas discordâncias.
Na verdade, pode-se observar que, na maioria das vezes, o trabalho do engenheiro para alterar as propriedades dos materiais se resume em lidar com as discordâncias que os metais geram em sua estrutura.
Os principais mecanismos de endurecimento em metais estão reunidos em cinco tipos básicos:
· 1
Redução de tamanho de grão;
· 2
Formação de solução líquida;
· 3
Encruamento;
· 4
Transformação de fase;
· 5
Dispersão de partículas.
        5.1 Partículas incoerentes;
        5.2 Partículas coerentes.
// 1. Redução do tamanho de grão
Existem diversos grãos, com diversas orientações cristalinas, em um material policristalino. Grãos vizinhos dividem o mesmo contorno de grão, e estes contornos são verdadeiras barreiras para o movimento das discordâncias. Isto acontece por dois motivos:
· 1
Cada grão possui uma orientação cristalina diferente. Para uma discordância passar de um grão para outro ela deverá alterar sua orientação, o que fica mais difícil quanto maior for a quantidade de discordâncias entre eles;
· 2
Há uma descontinuidade no plano de escorregamento entre os grãos, causada pela desordem atômica existente no contorno de grão.
É importante salientar que a tensão gerada em um plano de escorregamento de um grão pode gerar uma nova discordância em outro grão, visto que eles são separados por um contorno de alto ângulo.
Tem-se, então, que os materiais que possuem uma granulação mais fina, isto é, maior número de grãos, possuem uma resistência mecânicamais alta. Isto ocorre porque um maior número de grãos corresponde a um aumento no número de contornos, dificultando ainda mais a movimentação de discordâncias.
A relação mostrada na equação 1 abaixo mostra que a tensão de escoamento, em alguns materiais, é diferente, variando de acordo com o tamanho de grão.
σy ≡ σ0 + k · d –1/2(1)
(1) 
Nesta equação, d é o diâmetro médio dos grãos, e k e σ0 são as constantes de cada material.
// 2. Formação de solução sólida
A adição de elementos de liga com o intuito de formar soluções sólidas, sejam elas intersticiais ou substitucionais, corresponde a outro mecanismo de endurecimento de metais. Obviamente, a substituição de átomos, bem como a penetração na rede cristalina, depende da relação de tamanhos entre os átomos do soluto e do solvente.
A presença de átomos do soluto gera tensões e deformações no reticulado cristalino e isso dificulta o movimento das discordâncias, resultando no endurecimento do material. Este é um dos motivos que torna as ligas metálicas mais resistentes que os metais puros. Aqui, nota-se que não há formação de novas fases. Em alguns casos, a discordância no reticulado pode criar regiões deformadas, onde os átomos de soluto se acomodam. Isto resulta, então, em uma redução nas tensões do reticulado.
Nos casos em que os átomos de soluto são substitucionais, menores ou maiores que o solvente, eles podem se alojar nas áreas livres, formadas pela deformação no reticulado, o que resulta na minimização de seus efeitos.
Gráfico 2. Variação (a) do limite de resistência à tração; (b) do limite de escoamento; e (c) da ductilidade (%AL) em função do teor de níquel para as ligas cobre-níquel. Fonte: CALLISTER, 2011 p. 140. (Adaptado).
// 3. Encruamento
Este tipo de endurecimento ocorre quando os metais sofrem deformações plásticas como consequência de trabalhos mecânicos (cold hardening ou work hardening). O trabalho mecânico cria muitas deformações nos reticulados ao aumentar a densidade das discordâncias, deixando o material encruado. Consequentemente, a movimentação destas discordâncias é prejudicada, o que resulta em um aumento de sua resistência mecânica. Em suma, quanto maior o encruamento, maior a resistência do material.
Os gráficos a seguir mostram o aumento da resistência mecânica e do limite de escoamento, de acordo com o aumento da quantidade de níquel na liga Cu-Ni. Consequentemente, com o aumento destas propriedades, ocorre um decréscimo no alongamento. Lembrando que o níquel forma uma solução sólida substitucional na liga, ou seja, seus átomos tomam o lugar dos átomos de cobre no reticulado.
· 1
· 2
· 3
Gráfico 3. Para o aço 1040, o latão e o cobre, (a) aumento do limite de escoamento, (b) aumento do limite de resistência à tração e (c) redução na ductilidade (%AL). Fonte: CALLISTER, 2011, p. 142. (Adaptado).
Gráfico 3. Para o aço 1040, o latão e o cobre, (a) aumento do limite de escoamento, (b) aumento do limite de resistência à tração e (c) redução na ductilidade (%AL). Fonte: CALLISTER, 2011, p. 142. (Adaptado).
A taxa de encruamento é dada pela fórmula representada na equação 2, em que CW corresponde à % de deformação a frio (cold work) e A0 e Ad correspondem às áreas inicial e deformada, respectivamente, do material.
CURIOSIDADE
O marmitex, recipiente de alumínio utilizado para colocar alimentos, deve estar parcialmente encruado para se obter a resistência necessária. Para avaliar esta característica no material, deve-se “amassar” e esticar o recipiente diversas vezes. Se o som que ele fizer for parecido com “correntes arrastando-se pelo chão”, pode-se concluir que o material está devidamente encruado.
// 4. Transformação de fase
O endurecimento por transformação de fase tem como objetivo a formação de microconstituintes que podem alterar as propriedades do material. Normalmente executada através de tratamentos térmicos, as transformações de fase afetam a morfologia e a distribuição das fases existentes, além das soluções sólidas, e podem causar alterações na estrutura cristalina, como acontece nos aços. Esta alteração na estrutura gera uma mudança nos sistemas de escorregamento, resultando em aumento da resistência no material.
Alguns diagramas e gráficos representam as estruturas que um material terá quando submetido a uma dada temperatura por um certo período de tempo.
Gráfico 4. Resfriamento contínuo para um aço com 0.32% C, 0.3% Mn, 0.2% Si, 0.008% S, 0.017% P, 2.95% Ni, 0.69% Cr, 0.10% Mo, 0.31% Cu, 0.056% As. Fonte: ASM, 1991 p. 58. (
O Gráfico 4 mostra que, para um mesmo tipo de aço, um pequeno aumento no tempo de resfriamento pode aumentar a formação de uma fase; no caso da martensita (V1), ela passa para bainita (V2), e assim por diante. Isso resultou em uma redução na dureza do material, que foi de 20/30 HRC para 86/97 HRB. Em suma, o material normalizou, aliviou suas tensões e, por isso, ficou menos duro.
Gráfico 5. Resfriamento contínuo para um aço com 0.32% C, 0.3% Mn, 0.2% Si, 0.008% S, 0.017% P, 2.95% Ni, 0.69% Cr, 0.10% Mo, 0.31% Cu, 0.056%. Fonte: ASM, 1991 p. 58. (Adaptado).
No Gráfico 5, o mesmo material mencionado anteriormente permaneceu menos tempo na temperatura austenitizante. Ele experenciou um resfriamento acelerado, em que iniciou-se a formação de ferrita e perlita (V3), que apresenta uma dureza na faixa de 40 a 50 HRC.
Gráfico 6. (a) Transformação de resfriamento contínuo de aço DIN 22CrMo44 e (b) o padrão de tensão residual correspondente. Fonte: ASM, 1991 p. 1333. (Adaptado).
Para o Gráfico 6, com o mesmo tipo de aço, tem-se o caso (a) em que o material atingiu a temperatura de austenitização e logo foi resfriado, gerando uma estrutura perlítica no centro e bainítica na superfície. Ao aumentar um pouco mais a taxa de resfriamento (b), o material apresenta a formação de estruturas bainíticas no centro e superfície e, após algum tempo, está completamente coberto por uma microestrutura martensítica. Esta estrutura pode atingir durezas entre 50 – 55 HRC.
// 5. Dispersão de partículas
O endurecimento por dispersão de partículas, ou formação de segunda fase, acontece quando o limite de solubilidade é atingido. Estas fases possuem morfologia e composição completamente diferentes da matriz. Além disso, elas podem servir como barreiras, dificultando a movimentação de discordâncias, o que provoca o aumento da resistência do material.
// 5.1 Dispersão de partículas incoerentes
A dispersão de partículas incoerentes acontece com maior frequência, se comparada às partículas coerentes. Neste caso, o reticulado da segunda fase é diferente da matriz, por isso é chamado de incoerente. Uma liga de alumínio, por exemplo, pode apresentar um precipitado, ou segunda fase, de AlCu2. O alumínio tem estrutura CFC, mas, no entanto, a fase formada de cobre possui estrutura ortorrômbica.
// 5.2 Dispersão de partículas coerentes
As partículas de segunda fase são chamadas de coerentes, uma vez que possuem a mesma estrutura cristalina da matriz e podem apresentar uma dispersão muito grande. O tamanho de seus parâmetros, com relação aos da matriz, não diferem mais do que 15%. Com relação ao precipitado incoerente, seu tamanho pode chegar a ser até 1000 vezes menor. Isso provoca uma dispersão muito maior no reticulado, o que restringe muito mais o movimento das discordâncias. É devido a isso que os precipitados coerentes são mais endurecedores do que os incoerentes.
COMBINAÇÃO DE MECANISMOS DE ENDURECIMENTO
DE METAIS
Na grande maioria das vezes, determinado processo de fabricação pode ser realizado no material para que haja uma combinação de fatores de endurecimento.
Um tratamento térmico, ao ser realizado no aço, pode formar soluções sólidas, refinar os grãos e precipitar partículas de segunda fase. Esta combinação de fatores tem como objetivo melhorar as propriedades mecânicas, como a dureza, a resistência mecânica e o escoamento, entre outras.
É o chamado “efeito cumulativo”, uma espécie de somatório dos efeitos do endurecimento por solução sólida + endurecimento por precipitação + endurecimento por refinode grão + endurecimento por encruamento + endurecimento por transformação de fase.
Lição 5 de 5
Fundamentos sobre tratamentos térmicos
Tratamento térmico refere-se a operações realizadas nos materiais, com temperatura e tempo controlados, que possuem como objetivo alterar suas propriedades. Já os tratamentos termomecânicos são aqueles que estão combinados com algum tipo de deformação mecânica, como laminação extrusão, etc. Da mesma maneira que os processos mecânicos, existem tratamentos que são aplicáveis a uma gama muito grande de aços e ligas. Todavia, existem alguns deles que são bastante restritos, seja devido às características do material ou às limitações de processo.
A maioria dos tratamentos térmicos é realizada na peça inteira, ou seja, as alterações afetarão desde a superfície até o centro do material. Outros tratamentos são superficiais, isto é, atingem determinada camada da superfície, deixando o centro com suas propriedades originais. Esses tratamentos envolvem uma alteração na composição química da região superficial da peça. Sua dureza, por exemplo, torna-se muito maior na camada superficial (que pode variar entre 1 a 10 mm ou mais), enquanto o centro apresenta dureza mais baixa.
Uma coisa deve ficar bem clara quanto aos tratamentos superficiais: além de serem conhecidos também como tratamentos termoquímicos, tais processos necessitam de tratamento térmico após sua realização. Isso acontece porque a alteração na composição química nas camadas superficiais não é suficiente para alterar as propriedades na forma desejada. Há a necessidade de realização de um tratamento térmico adequado, para que estas se alterem. As propriedades ao longo de toda a peça se alteram de forma proporcional.
INTRODUÇÃO
Como já foi dito, as operações envolvendo aquecimento e resfriamento controlados, com o objetivo de alterar as características dos aços e suas ligas são intitulados de tratamentos térmicos.
Os principais objetivos dos tratamentos térmicos são os seguintes:
· Remover tensões provenientes de esfriamento desigual e trabalho mecânico, entre outros;
· Aumentar ou diminuir a dureza do material;
· Aumentar a resistência mecânica;
· Melhorar a ductilidade;
· Melhorar a usinabilidade;
· Melhorar a resistência ao desgaste;
· Melhorar as propriedades de corte, como aumento da velocidade, resistência a temperaturas etc.;
· Melhorar a resistência à corrosão, seja aumentando o tempo de exposição ou a resistência a diferentes ambientes corrosivos, entre outros;
· Melhorar a resistência ao calor, ou resistência à fluência;
· Modificar propriedades elétricas e magnéticas, como aumentar ou diminuir a condução elétrica, resistência etc.
Geralmente, consideram-se dois tipos diferentes de tratamentos térmicos que são utilizados para o alcance dessas propriedades:
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TRATAMENTOS TERMOFÍSICOSTRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
São processos que não apenas contemplam o aquecimento do material, como também a adição de elementos, a ser realizada na atmosfera de tratamento, a fim de promover as alterações desejadas.
Para o tratamento térmico de um aço, alguns fatores devem ser considerados. Entre eles, tem-se:
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Aquecimento
–
Temperatura que o material deve ser aquecido para alcançar a estrutura inicial desejada.
Tempo de permanência à temperatura de aquecimento
–
Tempo para que a estrutura do material fique homogênea ou precipite/elimine fases.
Resfriamento
–
Taxa de resfriamento necessária para o material chegar na característica desejada
Atmosfera do forno
–
Constituintes internos do forno que podem provocar, ou não, reações químicas no material.
TRATAMENTOS TERMOFÍSICOS
Os tratamentos termofísicos são definidos por um processo de aquecimento (para o aço chegar à austenitização), permanência na temperatura (para a peça homogeneizar-se na estrutura austenítica) e resfriamento com velocidade e temperatura controlados (para atingir a microestrutura desejada).
Os principais tratamentos termofísicos são:
· Normalização;
· Têmpera;
· Revenimento;
· Recozimento.
O recozimento no aço tem como objetivo diminuir a dureza do material, melhorar sua usinabilidade, aliviar as tensões internas, geradas por processos como soldagem, fundição e conformação mecânica, ou simplesmente obter as propriedades e microestrutura desejadas.
Quando um material sofre alguma deformação, parte desta energia aplicada fica “gravada” na forma de discordâncias. Essa energia acumulada é suficiente para fazer com que o processo de deformação sofrido por ele retorne à sua condição inicial. Para que isso aconteça, são necessários tempo e temperatura adequados e suficientes, em que o material possa eliminar estes defeitos.
O recozimento passa, essencialmente, por três estágios:
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Recuperação ou alívio de tensões (subcrítico)
–
Neste primeiro estágio, que ocorre abaixo da linha A1 (entre 10 °C a 20 °C abaixo desta linha), há um restauro das discordâncias. A quantidade de defeitos continua igual, porém há um alívio de tensão.
Recristalização ou recozimento pleno
–
Este estágio ocorre acima da linha A3 (50 °C), logo após a recuperação. Caracteriza-se pelo surgimento de cristais idênticos aos grãos originais (não-deformados), tanto em composição como estrutura.
Crescimento de grão
–
Em temperaturas mais elevadas, os grãos recristalizados começam a crescer, pois absorvem parte de alguns grãos vizinhos.
Os contornos de grão são “barreiras” para o movimento de discordâncias, como já foi dito. Por isso, uma granulação mais grosseira deixa o material menos duro, bem como reduz sua resistência mecânica, aprimorando sua plasticidade e usinabilidade.
Existem quatro tipos de recozimento:
· Recozimento pleno;
· Recozimento isotérmico;
· Recozimento subcrítico;
· Esferoidização ou recozimento intercrítico.
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Recozimento pleno
–
O aço é aquecido a temperaturas de 50 ºC acima das linhas críticas (linha A3 para os aços hipoeutetóides e A1 para hipereutetóides). Depois, ele é resfriado lentamente, dentro do forno. O objetivo é deixar a estrutura totalmente austenitizada e, ao esfriar, deixá-la semelhante à de equilíbrio.
Recozimento isotérmico
–
É o aquecimento que ocorre da mesma maneira que o recozimento pleno, sucedido por um resfriamento rápido até certa temperatura. Esta é mantida até a total transformação do material. Apesar de ser bastante semelhante ao recozimento pleno, o recozimento isotérmico possui uma estrutura final bem mais uniforme.
Recozimento subcrítico (alívio de tensões)
–
O material é aquecido abaixo da linha A1 e depois resfriado ao ar. Transformações importantes ocorrem nesta faixa de temperatura, como a recuperação e a recristalização das fases encruadas. Este recozimento ocorre quando necessita-se reduzir tensões residuais em estruturas ou componentes, como após soldagem, dobramento, têmpera, etc.
Recozimento para esferoidização
–
É o processo normal de tratamento térmico (aquecimento e resfriamento), mas com o objetivo de criar uma estrutura globular ou esferoidal, composta de carbonetos de aço. Pode ser feito das seguintes maneiras:
· Aquecimento (temperatura pouco acima da linha inferior de transformação) e resfriamento lento;
· Aquecimento (temperatura logo abaixo da linha inferior da zona crítica) por longo tempo;
· Aquecimento e resfriamento alternados (acima e abaixo da zona crítica).
· 1
· 2
Gráfico 7. Curva de resfriamento de recozimento pleno. Fonte: CHIAVERINI, 2008, p. 56. (Adaptado).
Gráfico 8. Curva de resfriamento de recozimento isotérmico (a). Fonte: CHIAVERINI, 2008, p. 58. (Adaptado).
// Normalização
Constitui-se em aquecer o aço até sua total austenitização e, posteriormente, resfriá-lo ao ar. A austenitização é realizada em temperaturas acima de A1 ou Acm, e o resfriamento ao ar livre deve ser mais rápido do que no recozimento.
A normalização pode ser usada para:
· Refinar o grão. Devido à recristalização e homogeneização da estrutura, pode-se alcançar melhores resultados na têmpera e revenimento;
· Melhorara usinabilidade;
· Refinar estruturas brutas de fusão, como peças fundidas, por exemplo;
· Atingir propriedades mecânicas desejadas.
Gráfico 9. Ciclos térmicos (esquemáticos) de recozimento pleno e normalização. Fonte: ASM, 1991, p. 87. (Adaptado).
// Têmpera
A têmpera tem como objetivo a obtenção de uma estrutura martensítica, mais dura e frágil. O material deve ser aquecido até sua total austenitização e depois resfriado rapidamente. A martensita se forma porque os átomos de carbono não se compõem em ferrita e cementita, difundindo-se com o ferro. Eles formam uma nova fase, contida nos interstícios da estrutura CCC do ferro. Nessa estrutura, a solubilidade do carbono é baixa e por isso ele deforma, ou seja, alarga, a célula unitária e forma uma estrutura chamada tetragonal de corpo centrado, resultando na geração de muitas tensões no reticulado.
 Algumas características da peça, como forma, tamanho e teor de carbono, determinam o meio de resfriamento a ser utilizado: líquido ou gasoso. Para meios líquidos, podem ser utilizados água, água contendo sal ou aditivos cáusticos, óleo e soluções aquosas de polímeros. Para os gasosos, tem-se ar ou hélio e argônio.
Como resultado, a têmpera reduz a ductilidade, tenacidade e gera tensões internas. Para minimizar estes inconvenientes, o revenimento é feito no material.
A têmpera é realizada em três etapas: aquecimento, permanência e resfriamento.
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AQUECIMENTOPERMANÊNCIARESFRIAMENTO
O material é aquecido até sua austenitização (50 °C acima da A3 para aços hipoeutetóides e 50 °C acima da linha A1 para os hipereutetóides). A ferrita e a perlita que existem nos hipoeutetóides austenitizam, ao passo que nos hipereutetóides a perlita austenitiza, mas a cementita continua imutável.
ASSISTA 
Para mais informações acerca da têmpera, assista a este vídeo, que mostra com mais detalhes o processo de têmpera total de anéis para rolamentos.
// Revenimento
O material, após ter sido submetido à têmpera, está com sua estrutura um pouco distorcida e acumula muitas tensões internas. Por isso, um tratamento de revenimento se faz necessário, a fim de evitar a formação de trincas e diminuir sua dureza e fragilidade.
O material é aquecido a uma temperatura abaixo da temperatura de austenitização. Depois, ele é mantido nesta temperatura por certo tempo, dependendo das propriedades desejadas. Quanto maior o tempo, maior a ductilidade e menor a dureza. O mesmo se diz para a temperatura de tratamento.
Gráfico 10. Têmpera realizada em um aço, seguido de revenimento. Fonte: CHIAVERINI, 2008, p. 65. (Adaptado).
TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS
Estes tratamentos são caracterizados pelas reações dos elementos contidos no ambiente com o material.
Eles buscam aumentar a dureza superficial, mas manter a região interna, ou núcleo, dúctil. Também aprimoram outras características, como resistência ao desgaste e corrosão a altas temperaturas.
Por meio da difusão, elementos como carbono, boro, nitrogênio e outros são inseridos, ou seja, penetram, na estrutura, ou região superficial, do material. É importante salientar que o potencial do meio, isto é, a característica do ambiente de tratamento, como gás, líquido, sólido, é um fator importante no provimento do elemento de adição (C, N ou B). Além disso, características da peça, como solubilidade e difusão, determinam a capacidade dela em absorver o elemento.
Existem diversos tipos de tratamentos, entre eles: cementação, nitretação e boretação.
// Cementação
Consiste no processo em que a peça é aquecida em um ambiente rico em carbono. O elemento penetra na superfície do material por difusão, dissolvendo-se na estrutura. A temperatura de aquecimento deve ser suficiente para austenitizar o aço. O tempo de permanência no banho deve ser proporcional à camada rica em carbono que se deseja. Normalmente, este tratamento é feito para aços com até 0,3% C. Além disso, a quantidade de carbono diminui à medida que se direciona para o centro da peça. Após a cementação, o aço deve ser temperado e revenido.
Gráfico 11. Influência da temperatura e do tempo na profundidade de penetração. Fonte: ASM, 1991 p. 727. (Adaptado). 
O Gráfico 11 mostra a profundidade de penetração de carbono, em mm e polegadas, de acordo com o tempo, em horas, para um material tratado a 871 °C, 899 °C, 927 °C e 955 °C.
// Nitretação
Semelhante à cementação, a nitretação consiste na introdução de nitrogênio na superfície do material. A quantidade de carbono da composição superficial não se altera e a camada de nitrogênio possui uma espessura menor. A temperatura de tratamento é menor que a de austenitização (500 °C e 560 °C) e o ferro ligado ao nitrogênio formará o nitreto de ferro, que possui alta dureza. Após a nitretação, o aço deve ser temperado, a fim de alcançar a dureza requerida.
 Existem alguns tipos de nitretação, entre eles: gasosa líquida e iônica. Peças nitretadas possuem alta dureza e, por isso, é recomendável que o resfriamento no tratamento seja rápido, visto que assim o nitrogênio fica retido em solução sólida.
Gráfico 12. Profundidade de penetração obtida para alguns aços nitretados. Fonte: CHIAVERINI, 2008, p. 134. (Adaptado).
O Gráfico 12 mostra a porcentagem de nitretação, em mm, de acordo com a quantidade de horas do material dentro do forno (0, 5 e 10 horas), para um aço com 0,15% de C, 0,45% de C e aço-liga ao cromo.
// Boretação
Consiste na formação de boreto de ferro na superfície do material, que possui elevada dureza, a partir de um tratamento utilizando carboneto de boro, em temperaturas entre 800 °C a 1050 °C. Da mesma maneira que a nitretação, a porcentagem de carbono na superfície não sofre influência neste tratamento.
A dureza é mais alta que a da cementação e nitretação, e o material apresenta alta resistência à corrosão, assim como ao desgaste. Em contrapartida, o acabamento da peça é dificultado, assim como a sua resistência à fadiga é baixa.
VAMOS REFORÇAR O QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA?
De acordo com os tratamentos termoquímicos, estabeleça a relação entre eles:
· 
· 
· 
· Nitretação.
· Boretação.
· Cementação.
· Adição de carbono.
· Adição de nitrogênio.
· Adição de boro.
ENVIAR
TENTE NOVAMENTE
Agora é a hora de sintetizar tudo o que aprendemos nessa unidade. Vamos lá?!
SINTETIZANDO
Nesta unidade foram apresentados conceitos de microestruturas, como elas surgem e seus componentes internos. Enfatizou-se a importância do conhecimento sobre as fases e seus constituintes, uma vez que muitas propriedades dos materiais provêm das fases presentes, bem como de sua morfologia e distribuição na microestrutura. 
Além disso, foram apresentados os principais mecanismos de endurecimento nos metais. Estes mecanismos podem provocar alterações nas fases e suas microestruturas, alterando as propriedades dos materiais. Deve-se atentar para o fato de que sempre ocorre uma combinação de mecanismos para o endurecimento dos metais. 
Por fim, foram apresentados conceitos sobre tratamentos térmicos, e os principais tratamentos nos metais, em especial os aços, foram expostos, a fim de formar uma base de conhecimentos sobre estes processos. Alguns podem ser aplicados a uma gama enorme de ligas de aço, ao passo que outros não.
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Para se classificar os mais diversos materiais de uso em engenharia, é comum se usar um sistema baseado na composição química e no arranjo atômico que formam sua microestrutura.
Dessa forma, eles podem ser classificados como cerâmicos, poliméricos ou metálicos. Essas são as três classificações básicas, afinal, a cada dia, novas pesquisas propõem a combinação desses três tipos para usos específicos: os chamados compósitos, que são desenvolvidos em estudos avançados. Todavia, a grande maioria das aplicações da engenharia utiliza uma das três formas básicas: polímeros (popularmente chamados de plásticos), cerâmicos ou metálicos.
Quando se trata de tratamentos térmicos, termoquímicos e superficiais, os estudos são direcionados ao mundo dos metálicos em suas mais diversas funções, como em aplicações aeroespaciais,ligas de aço e alumínio, materiais estruturais, diferentes tipos de aços, entre outros. 
Na Figura 1, pode-se verificar uma estrutura metálica em que estão aplicados vários elementos diferentes: os perfis W, que são extrudados, os parafusos e porcas, que são forjados, e os cordões de solda. Cada um desses elementos, apesar de classificado como aço, possui características mecânicas diferentes devido às diferentes formas de fabricação e exposições térmicas às quais foi submetido. 
Figura 1. Estrutura metálica. Fonte: Shutterstock. Acesso em: 18/02/2020. ID: 1094706062. 
METAIS
Metais básicos de aplicação em engenharia, como o ferro, alumínio, cobre, níquel e bronze podem possuir elementos não metálicos na sua composição, como o carbono e o nitrogênio. Os chamados aços são ligas de ferro com percentuais de carbono em suas estruturas cristalinas. Os diferentes tipos são definidos pelo percentual de carbono e outros elementos, como magnésio e molibdênio, que definem grande parte de suas características mecânicas.
Os materiais metálicos possuem uma estrutura cristalina ordenada, o que os confere uma alta resistência. Essa ordenação molecular permite suportar deformações plásticas e elásticas antes de se romper, característica que possibilita a conformação de chapas de aço nos mais diversos formatos, como a lateral de um carro. A maleabilidade e a conformação são chamadas de ductilidade, que é exatamente o contrário de “dureza”. Logo, quanto mais duro um aço, menos dúctil ele é, isto é, ele vai se deformar pouco antes de quebrar. 
Outra característica marcante dos metais é a alta capacidade de condutividade térmica e elétrica, visto que os elétrons da estrutura cristalina têm grande liberdade de movimento. Com isso, os metais acabam sendo excelentes opções para inúmeras aplicações, como em estruturas, vasos de pressão, motores, elementos de máquinas, como engrenagens e parafusos, soluções de soldagem, turbinas, armas, peças de design, entre outras utilidades industriais e do nosso dia a dia.
Diagrama 1. Classificação de materiais metálicos. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014. 
No Diagrama 1, observamos que as ligas metálicas podem ser ferrosas ou não ferrosas (como alumínio, cobre e titânio) de acordo com a presença de ferro em sua composição. Os aços são exemplos de ligas metálicas ferrosas que possuem carbono em sua composição. Eles são usados em muitas aplicações da engenharia pela versatilidade conferida em suas propriedades mecânicas de acordo com os percentuais de carbono e demais elementos de liga adicionados em sua composição. Além disso, permitem a utilização de técnicas de tratamentos térmicos que conferem características estruturais e superficiais extremamente úteis em aplicações específicas, como, por exemplo, quando se faz necessário aumentar a dureza superficial de algum componente que será exposto à grande abrasão (como dentes de engrenagens ou pistas de rolamentos).
As características mecânicas dos metais têm relações com as propriedades de suas microestruturas. Essas microestruturas podem ser controladas com o uso de tratamentos térmicos adequados, assim, é fundamental, para o profissional responsável pela definição dos materiais de um projeto, entender os mecanismos de fases e os possíveis componentes de uma composição microestrutural de qualquer liga metálica, e por quais maneiras pelas quais essas estruturas com características específicas podem ser obtidas. Afinal, uma solução sólida é obtida quando os componentes de um soluto são colocados em um solvente sem que haja a alteração da estrutura cristalina do metal. Assim como nem todo açúcar se dissolve na água depois de certa quantidade, existe um limite de soluto que consegue se dissolver na composição do metal, ocupando os espaços intersticiais da estrutura cristalina do solvente ou substituindo alguns átomos originais. Este percentual de soluto é denominado limite de solubilidade, que, em porcentagem atômica, é descrito como %a e, em porcentagem de peso, é descrito como %p. Esses limites variam de acordo com a temperatura, assim como o açúcar que, quanto mais quente estiver a água, mais açúcar se dissolve. Se o percentual de soluto ultrapassar esse limite de solubilidade, ocorrerá formação de uma solução sólida ou algum composto adicional sem ligação atômica com o solvente.
LIGAÇÃO METÁLICA PARA FORMAÇÃO DOS CRISTAIS 
As ligas metálicas tipicamente estruturam-se de forma cristalina com ligações metálicas.
Nessas ligações, os elétrons de valência livres formam nuvens, e os demais formam núcleos iônicos com cargas positivas. 
Os elétrons, em ligações metálicas, têm liberdade, o que consolida a propriedade de boa condutividade elétrica que os metais possuem. Dessa forma, fica clara a relação que a estrutura cristalina e os tipos de ligações atômicas têm com as propriedades dos materiais. Assim como a condutividade elétrica, a ductilidade dos metais se preconiza pelo tipo de ligação metálica conferida por seus átomos. A ductibilidade pode ser melhor compreendida como a capacidade do material de suportar grandes cargas, e sofrer deformação elástica e permanente antes de ocorrer a ruptura. Assim, a flexibilidade dos metais se dá pela característica não direcional das ligações metálicas.
Pode-se dizer que as peças metálicas são sólidos cristalinos formados por ligações metálicas. Logo, são materiais em que os arranjos atômicos são organizados e a estrutura cristalina define o formato dos arranjos que os átomos se distribuem no espaço. Essas montagens cristalinas são tridimensionais e de padrão repetitivo. Para entender essa distribuição, pode-se observar a Figura 2, onde os átomos são mostrados como esferas. Percebe-se que há repetição de arranjo atômico de longo alcance; e o que se repete é o agrupamento chamado de célula unitária. A Figura 2 ilustra o conceito de célula unitária por meio do modelo de esferas rígidas. Ao observá-la, podemos entender que o cubo formado como a tal célula unitária consolida a estrutura cristalina.
Figura 2. Célula unitária elementar de uma estrutura cristalina. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014.
Sendo os metais sólidos cristalinos, durante a solidificação que ocorre nas usinas metalúrgicas no momento da fabricação das ligas de aço, esses cristais geram orientações cristalográficas aleatórias que, quando se encontram, criam os contornos de grão. Cada agrupamento de cristais com a mesma orientação cristalográfica costuma ser chamado de grão.
CURIOSIDADE
Existe um software interativo chamado de Crystal Walk. Com ele é possível simular a construção de estruturas cristalinas e visualizá-las tridimensionalmente.
O entendimento das ligações atômicas e da formação cristalina dos aços é fundamental para a definição de tratamentos isotérmicos. As ligações dos átomos nas proximidades dos contornos de grão são irregulares, o que pode causar um crescimento na energia nessas regiões, aumentando a resistência do material devido ao aumento das forças de coesão. Porém, pode ter um efeito negativo em algumas aplicações, uma vez que os contornos se tornam regiões mais susceptíveis à corrosão. Para situações como essas, em que o engenheiro precisa melhorar alguma propriedade específica de um determinado metal, o ideal é buscar tratamentos térmicos e superficiais alternativos.
Os grãos em uma amostra policristalina monofásica geralmente estão em muitas orientações diferentes e, portanto, são possíveis muitos tipos de limites. A natureza de qualquer limite depende da desorientação dos dois grãos adjacentes e da orientação do plano do limite em relação a eles. As redes de quaisquer dois grãos podem coincidir girando um deles por um ângulo adequado em torno de um único eixo. Em geral, o eixo de rotação não será simplesmente orientado em relação ao grão ou ao plano de limite de grão, mas existem dois tipos especiais que são relativamente simples. Estes são limites puros de inclinação e limites puros de torção, conforme ilustrado na Figura 3. Um limite de inclinação ocorre quando o eixo de rotação é paralelo ao plano do limite,enquanto um limite de torção é formado quando o eixo de rotação é perpendicular ao limite.
Figura 3. As orientações relativas dos cristais e o contorno que forma. Fonte: PORTER et al., 2009. (Adaptado).
O nível de resistência de um metal tem relação direta com tamanho de grão. Afinal, quanto menores os grãos, o metal acaba sendo mais resistente devido ao aumento da quantidade de barreiras que impedem o movimento. Porém, grãos maiores podem ser importantes em algumas aplicações, sendo possível obtê-los com o uso de tratamentos térmicos específicos.
MICROESTRUTURA E EQUILÍBRIO DE FASES
Para compreender os mecanismos de transformação envolvidos nos tratamentos isotérmicos, primeiramente é fundamental compreender que cada material possui propriedades específicas e fases que variam em função de sua composição química e da temperatura.
Um exemplo mais básico de nosso dia a dia é a própria água, que possui um diagrama de fases que conhecemos na prática: certas condições ela está líquida, mas, dependendo da temperatura e pressão, ela pode solidificar como gelo ou vaporizar. O Diagrama 2 mostra as fases da água, sendo que as variáveis relevantes são: temperatura, apresentada no eixo horizontal, em °C, e a pressão, apresentada no eixo vertical, em atm.
Diagrama 2. Diagrama de fase da água. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014.
Assim como a água, todas as demais substâncias possuem sua identidade descrita como um diagrama de fases. No caso dos metais, as variáveis mais importantes são a composição ou percentual de certo elemento de liga e a temperatura – diferentemente da água, apresentam temperatura e pressão.
O Diagrama 3 exemplifica as fases de uma liga metálica de chumbo-estanho. No eixo horizontal é listado o percentual de estanho (% Sn) e no vertical a temperatura. Note que tanto um eixo quanto o outro mostram bases diferentes para auxiliar a compreensão do usuário. No eixo horizontal inferior, o percentual de estanho é em relação ao peso percentual; no superior, em percentual atômico, assim como a temperatura, em que o eixo vertical à esquerda apresenta a escala em °C, tendo o eixo vertical à direita com as temperaturas em °F.
Nesse diagrama, fica evidente que, dependendo do percentual de chumbo (Pb) e estanho (Sn) da liga, e da temperatura, o material apresenta regiões monofásicas sólidas, como α, regiões bifásicas sólidas, como a + b, regiões puramente líquidas e, ainda, regiões onde ocorrem soluções sólido+líquido, como as a + L e a b + L. 
Diagrama 3. Diagrama de fase de uma liga chumbo (Pb)-estanho (Sn). Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014. (Adaptado).
CURVAS ISOTÉRMICAS
Cada liga metálica possui características particulares de formação de microestruturas cristalinas que variam de acordo com o tempo de exposição à determinada temperatura de acordo com a forma de resfriamento.
Essas características são descritas nos diagramas de transformação isotérmica, muito conhecidos no mundo da engenharia como as curvas de tempo-temperatura-transformação ou simplesmente por seus acrônimos TTT. Elas nada mais são que diagramas que definem as relações entre o tempo de resfriamento e as transformações microestruturais que, por sua vez, são dependentes do tempo de permanência de determinada liga à certa temperatura constante. 
No Diagrama 4 fica ainda mais evidente o efeito das transformações isotérmicas. Existem duas curvas que definem os tempos de começo e final das transformações de fase do aço em questão: a da esquerda mostra o começo da transformação e a curva da direita o término. Nos pontos A, B e C, a estrutura é 100% austenítica; entre os pontos C e D, a estrutura é uma solução de austenita+perlita, e do ponto D em diante, a estrutura é 100 % perlita. 
Diagrama 4. Transformação isotérmica do aço carbono eutetoide (0,77% C). Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014. (Adaptado).
Esses tratamentos isotérmicos, de modo geral, podem ter duas finalidades básicas: amolecimento ou endurecimento.
O amolecimento é recomendado em casos de necessidade de remoção de tensões residuais oriundas dos processos de fabricação, como laminação, forjamento e trefilação, ou ainda, em regiões soldadas. Esses processos encruam o material e, por meio de tratamentos isotérmicos, consegue-se restaurar a ductilidade. Um tratamento de amolecimento muito comum em um ambiente industrial é a normalização. O aço é aquecido acima da sua zona crítica de temperatura e, em seguida, é removido do forno e colocado para resfriar em temperatura ambiente.
Outra forma de amolecer o aço é utilizando do tratamento de recozimento. Ele é muito parecido com a normalização, porém, ao invés de retirar a peça do forno, desliga-se o forno, e o resfriamento é muito mais lento.
Já para o endurecimento, esses tratamentos isotérmicos são indicados quando a finalidade é o aumento da resistência mecânica ou o desgaste. Pode contribuir em casos de projetos de estruturas estáticas, para o aumento da resistência à fadiga, ou ainda, para situações de abrasão em que o aumento da resistência superficial é indispensável, como em casos de mancais de deslizamentos, virabrequins e hélices de turbinas.
Um tratamento de endurecimento bastante recorrente é a têmpera. Nesse caso, o aço é aquecido acima da sua zona crítica de temperatura e, em seguida, é resfriado rapidamente em água ou óleo. Trata-se de um processo usado desde a antiguidade pelos romanos que, na época, usavam para endurecer suas espadas e ferramentas. O resfriamento rápido busca evitar a formação de perlita e bainita, tornando a microestrutura basicamente formada por martensita, muito mais dura que as anteriores, porém mais frágil.
Para um tratamento ser classificado formalmente como isotérmico, deverá existir uma fase de resfriamento em que a temperatura permanece constante por certo tempo. Logo, a têmpera, a rigor, não seria um tratamento isotérmico, assim como a normalização e o recozimento também não são, por se caracterizarem como decréscimos constantes de temperatura, mas, em momento algum acontece a fixação da temperatura por um determinado tempo. Porém, apesar desses processos clássicos não se enquadrarem como transformações isotérmicas, algumas de suas derivações podem ser enquadradas, como é o caso da martêmpera e da austêmpera.
A austêmpera é um tratamento isotérmico indicado a aços de alto teor de carbono. Nesse processo, o aço é aquecido a uma temperatura superior a 800 ºC (dependendo do teor de carbono) até se tornar totalmente austenítico. Esse processo é representado no Gráfico 1, e o primeiro passo de aquecimento é indicado na posição um. A partir daí, inicia-se o resfriamento rápido até temperaturas mostradas na posição dois da figura, entre 260 °C e 440 ºC (dependendo do teor de carbono). Ele permanece nessa temperatura logo acima da linha horizontal superior de formação de martensita por um tempo, cruzando as duas curvas TTT de início e de fim de transformação, e modificando a austenita em bainita, como mostrado na posição três. Por fim, o aço é resfriado ao ar livre até a posição quatro. 
Gráfico 1. Curva TTT de um aço com alto teor de carbono – austêmpera. Fonte: CHIAVERINI, 2008. (Adaptado).
ASSISTA
A austêmpera é um processo especializado que fornece controle de distorção excepcional e resistência à alta dureza. Isso é obtido por meio da transformação isotérmica do aço para produzir microestrutura predominantemente bainítica. Veja um exemplo no vídeo Displacements due to bainite transformation (deslocamentos devido à transformação de bainita, em tradução livre). 
A martêmpera é um tratamento isotérmico indicado a aços-liga com o objetivo principal de aliviar tensões e reduzir o risco de trincas em peças. Também nesse processo, inicialmente, o aço é aquecido acima de 800 ºC (dependendo do teor de carbono) até se tornar totalmente austenítico, conforme mostrado na posição um do Gráfico 2. A partir daí, o resfriamento se diferencia da austêmpera, principalmente por ocorrer em dois estágios: primeiramente, o aço é colocado em um banho de sal ou óleo até atingir a posição dois – a temperaturaé um pouco acima da linha horizontal superior da martensita (Mi). Estabiliza-se a temperatura por certo tempo até atingir a posição três (antes da curva de início de transformação) para então seguir para o próximo estágio de resfriamento, quando ele é colocado à temperatura ambiente até estabilizar abaixo da linha horizontal inferior da martensita (Mf).
Gráfico 2. Curva TTT de um aço-liga – martêmpera. Fonte: CHIAVERINI, 2008. (Adaptado).
Nota-se ainda que, após a martêmpera, é indicado um processo de revenimento. Em condições reais, são usados os aços-liga caracterizados com estrutura de martêmpera revenida, reduzindo, assim, as tensões residuais e a probabilidade de geração de trincas, o que aumenta a resistência à fadiga desse material.
A vantagem de martemperar à temperatura baixa reside no gradiente térmico reduzido entre a superfície e o centro, à medida que a peça é temperada até a temperatura isotérmica e, em seguida, resfriada a ar até a temperatura ambiente. As tensões residuais desenvolvidas durante esse tratamento térmico são menores do que as desenvolvidas durante a têmpera convencional, porque as maiores variações térmicas ocorrem enquanto o aço está na condição austenítica relativamente plástica, além da transformação final e as mudanças térmicas ocorrerem em toda peça aproximadamente ao mesmo tempo. A martêmpera também reduz ou elimina a suscetibilidade a rachaduras.
Outro detalhe é a possibilidade da martêmpera em sal fundido. Com isso, pode-se controlar melhor a cementação ou descarbonetação da superfície. Quando o banho de austenitização é em sal neutro, controlado pela adição de gás metano ou retificadores proprietários para manter sua neutralidade, as peças são protegidas com um revestimento residual deste sal até imersão no banho final de resfriamento.
Assim, sendo a martensita uma estrutura cristalina de alta resistência, ela tem características de fragilidade, por isso a indicação de um processo de revenido após a martêmpera. Esse processo prevê o aquecimento do aço a uma temperatura abaixo da temperatura de transformação eutetoide (o cotovelo da curva TTT do aço em questão). Nesse ponto, a temperatura é estabilizada por certo tempo para ser resfriada. Com isso, é reduzida a fragilidade da martensita, o que reduz, também, um pouco da resistência do material, mas com um ganho considerável de ductilidade.
Tratamentos termomecânicos
Nos últimos anos, tem havido mais interesse na interdependência das operações de trabalho a quente e tratamento térmico.
Em muitas aplicações críticas, as propriedades finais desejadas não são atingíveis por tratamento térmico se a operação de trabalho a quente não tiver sido realizada sob temperatura controlada e parâmetros de deformação. Isso requer um estudo conhecido como processamento termomecânico.
Os tratamentos termomecânicos envolvem a aplicação simultânea de variação de temperatura e deformações em ligas metálicas, com a finalidade de mudar sua forma e, finalmente, refinar sua microestrutura em prol de melhores propriedades. A deformação em processos produtivos para essa finalidade é a laminação a quente, visto que o processo é capaz de lidar com grandes quantidades de aço e ainda pode ser submetido a controle e automação precisos. 
Toneladas de materiais passam por um forno de retenção e são introduzidos na sequência de rolos de laminação a temperaturas que costumam variar de 1200 a 1300 °C. Eles são progressivamente laminados em uma variedade de formas, dependendo da programação.
Essa deformação a quente leva a uma quebra da microestrutura grosseira original, que existe no estado fundido por recristalização repetida do aço enquanto na condição austenítica, ao mesmo tempo reduzindo gradualmente à escala de comprimento e magnitude de qualquer segregação química. Quaisquer inclusões não metálicas, isto é, óxidos, sulfuretos e silicatos, são quebradas. Algumas deformadas e distribuídas por todo o aço de uma maneira mais refinada e uniforme.
A laminação a quente não se limita à produção apenas de chapas regulares. Com o projeto apropriado de rolo e sequência de rolamento, ela pode ser aplicada para fazer hastes, trilhos, vigas para construção de infraestruturas, entre outros.
EXPLICANDO
Atualmente, o processo de laminação a quente é uma operação refinada em que mais de um bilhão de toneladas de aço são produzidas anualmente usando matrizes automatizadas de equipamentos, o que resulta em níveis impressionantes de produtividade e repetibilidade. As composições dos aços de baixa liga são escolhidas cuidadosamente para fornecer ótimas propriedades mecânicas quando a deformação a quente e o resfriamento subsequente estiverem completos.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DAS LIGAS DE AÇO
O tratamento termomecânico de ligas de aço está diretamente relacionado com os comportamentos mecânicos que um metal deverá ter para suprir às necessidades definidas pelo engenheiro de projetos. Para isso, é fundamental o perfeito entendimento dos mecanismos de formações microestruturais e da interrelação disso com os tempos e temperaturas que definem o diagrama TTT do material específico.
As características mecânicas das ligas ferro-carbono estão diretamente relacionadas com suas microestruturas cristalinas, que podem ser controladas por meio de tratamentos térmicos e processamentos termomecânicos. O comportamento dos componentes cristalinos mais frequentemente encontrado nas ligas de aço é:
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Perlita
–
Aumentando o percentual de cementita, aumentar-se-á, por conseguinte, a resistência do material, ou seja, seus limites de escoamento e de resistência à tração serão mais altos. Isso se dá pela dureza da perlita, contudo, há sempre um preço a se pagar: se a resistência aumenta, a fragilidade também aumenta, afinal, a cementita é mais frágil que a ferrita. Lembrando que fragilidade é sinônimo de baixa ductilidade, isto é, baixa capacidade de deformação elástica e plástica antes de se romper;
Cementita global
–
Aquecendo uma liga de aço até uma temperatura logo abaixo da eutetoide (o “cotovelo” da curva TTT) e mantendo nessa temperatura por longo período, a cementita se transforma de lamelar para uma forma próxima a uma esfera, chamada cementita global. Essa transformação deixa o aço mais dúctil e, em contrapartida, menos resistente. É um tipo de tratamento bastante comum em chapas ou barras de aço que deverão ser dobradas e conformadas. Após essas conformações, a peça final pode passar por outros tratamentos que aumentam sua resistência e dureza novamente;
Bainita
–
Sendo uma estrutura cristalina mais refinada em relação à perlita (ferrita e cementita), o aço adquire uma característica de maior resistência;
Martensita
–
De todas as formas cristalinas do aço, essa é a estrutura mais resistente que pode ser obtida por meio de tratamentos térmicos e termomecânicos, todavia, é muito frágil. Resfriando o aço rapidamente desde a sua fase austenítica, que apresenta estrutura cristalina mostrada na Figura 4, CFC – cúbica de face centrada, os átomos de carbono posicionados no intermeio impedem o fácil movimento dos átomos de ferro para formar uma estrutura ferrítica CCC – cúbica de corpo centrado, gerando cisalhamentos ao longo da estrutura cristalina. Isso forma composições tetragonais de corpo centrado (TCC) sem apresentar difusão de seus átomos. 
Figura 4. Estruturas cúbicas de corpo centrado e cúbicas de face centrada. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2012. (Adaptado).
Na fabricação de uma liga de aço por laminação, as propriedades mecânicas do material se apresentam superiores quando comparadas ao mesmo material cortado e normalizado –, podendo alcançar resultados ainda melhores se forem realizados um revenido e uma têmpera logo após a laminação. Em situações como essas, as condições termomecânicas sob as quais o aço foi submetido geram efeitos benéficos às propriedades mecânicas da liga metálica em um resfriamento direto, sobretudo se forem realizados tratamentos térmicos após o processo de fabricação.
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OBJETIVOS E VARIAÇÕES
De forma prática,os tratamentos termomecânicos são realizados na indústria naturalmente, mas não por acaso. Ao longo dos processos de conformação a quente, existem outros métodos de fabricação, como trefilação, extrusão, forjamento, entre outros.
Podemos resumir os principais objetivos e vantagens desse tipo de tratamento como redução da dureza ou endurecimento. Ele possibilita controlar propriedades mecânicas, como aumento de ductilidade, refino de grão, alívio de tensões e arranjo da estrutura cristalina, de acordo com a aplicação. 
A deformação plástica envolvida nesses processos a quente modifica, de forma considerável, as curvas do diagrama temperatura, tempo, transformação (TTT), aumentando, assim, as taxas de nucleação nas porções de grãos afetadas. Como efeito deste processo, os tratamentos termomecânicos mostram elevadas taxas de deformação a quente que produzem um aumento considerável da densidade de discordâncias.
Como um dos processos tecnológicos mais importantes é o endurecimento do aço pela têmpera, se o aço é temperado com rapidez suficiente no campo austenítico não há tempo para que ocorram processos de decomposição controlada por difusão eutética, e o aço se transforma em martensita – ou, em alguns casos, martensita com alguns por cento de austenita retida.
Essa transformação é importante e mais conhecida em relação a certos tipos de aços inoxidáveis, aços temperados e aços para rolamentos de esferas. Importantes desenvolvimentos recentes envolvendo a transformação martensítica incluem aços maraging (martensita temperada por precipitação), aços TRIP (transformação induzida por deformação plástica), aços ausforming (austenita deformada plasticamente antes da têmpera) e aços bifásicos (uma mistura de ferrita + martensita obtido por extinção do campo γ + α).
Todavia, visando aproveitar as condições de deformação a quente dos processos de fabricação, algumas pesquisas foram desenvolvidas com o objetivo de otimizar o controle de temperatura e tempo. Um tratamento já tradicional em processamentos termomecânicos de ligas de aço é o denominado ausforming. Nesta proposta, uma base austenítica do material original é resfriada abruptamente até uma temperatura entre as fases de perlita e bainita, para então ser exposta a uma deformação δ. Em seguida, realiza-se um rápido resfriamento que resulta em uma estrutura martensítica do material em processo, que, por sua vez, é mais resistente que os processados de forma tradicional.
A maneira pela qual os átomos mudam de posição nessa transformação fez com que ela fosse denominada militar, em contraste com as transformações controladas por difusão, que são denominadas civis. Em princípio, todos os metais e ligas podem sofrer transformações sem difusão, desde que a taxa de resfriamento ou de aquecimento seja rápida o suficiente para impedir a transformação por um mecanismo alternativo que envolva o movimento de difusão dos átomos. Assim, as transformações martensíticas podem ocorrer em muitos tipos de cristais, minerais e compostos metálicos e não metálicos. A martensita de aço é, portanto, simplesmente uma solução sólida supersaturada de carbono em α-Fe.
O efeito de deformar plasticamente a austenita antes da transformação gera aumento do número de locais de nucleação e, portanto, tende a diminuir o tamanho da placa. A alta resistência dos aços formados se deve, portanto, ao efeito combinado da espessura de chapa, endurecimento da solução (devido ao carbono) e endurecimento por deslocamento.
ANALISANDO OS DIAGRAMAS DE FASE FERRO-CARBONO
Como a maioria das aplicações de tratamentos termomecânicos envolve a fabricação de aço, torna-se fundamental ao engenheiro interpretar o diagrama de fases da liga binária ferro-carbono ao longo de todas as etapas do processo. Dessa forma, podem-se desenvolver as variações de propriedades, conseguindo inter-relacionar os controles de tratamentos termomecânicos com as microestruturas e as características mecânicas que se deseja alcançar. 
Como exemplo, o Diagrama 5 ilustra um recorte do diagrama de fases de uma liga de aço (ferro-carbono). Podemos observar que o ferro puro (0%p C), quando aquecido, gera duas alterações em sua estrutura cristalina antes de derreter. À temperatura ambiente ele é chamado de ferro alfa (α) ou ferrita; sua formação cristalina é cúbica de corpo centrado (CCC). Já a 912 °C, ele se transforma em ferro gama (γ), também chamado de austenita, que já se apresenta, cristalinamente, com uma estrutura polimórfica cúbica de face centrada (CFC). Essa condição cristalina se mantém até 1394 °C, ponto a partir do qual a austenita (CFC) volta a ser ferrita (CCC), só que chamada de ferrita delta (δ), até se fundir a 1538 °C. 
Diagrama 5. Fase de uma liga de aço: ferro-carbono. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014. (Adaptado).
Assim como a 0% de carbono, à medida que se desloca para direita no diagrama, o percentual de carbono aumenta e, consequentemente, as características de transformações se alteram, gerando inúmeras possibilidades de mudança cristalina em faixas de temperaturas diferentes, de acordo com a composição química do aço que estará sendo fabricado ou trabalhado mecanicamente.
Assim, o diagrama ferro-carbono tem a possibilidade de se dividir em duas partes: uma fração rica em ferro, que vai até 6,7% de carbono e outra rica em carbono ou grafite puro, que, na prática, não acaba sendo utilizado, visto que os aços comerciais e ferros-fundidos não apresentam mais de 6,7% de carbono em sua composição.
Todavia, conhecer características de temperatura e composição não é suficiente para os controles das propriedades mecânicas dos aços. O terceiro pilar desse processo de preparação das características das ligas para aplicação desejada envolve também a cinética das transformações ainda no material sólido, isto é, depende das taxas de resfriamento, dos tempos de manutenção da temperatura em determinadas faixas e dos passos procedimentais envolvidos nessa transição térmica. Dessa forma, cada material terá, além de um diagrama de fases específico para uma determinada liga, inúmeros diagramas que relacionam temperatura, tempo e transformação (os já citados diagramas TTT), que serão únicos para cada composição. São também chamados de curvas S. 
Logicamente, é possível conseguir transformações de fases cristalinas somente com variação de temperatura, composição ou ainda pressão, porém, usando a combinação desses elementos e acrescentando condições termomecânicas de fabricação, o trabalho se torna muito mais conveniente, rápido, controlado e de menor custo, afinal, cada transformação de fase demanda um tempo finito para ser realizada. Sendo assim, somente o diagrama de fases não é suficiente para um trabalho completo de definição de propriedades por não considerar a variável tempo em seu conteúdo. E, em muito casos, a informação relativa às taxas de resfriamento e tempos de manutenção em determinadas faixas de temperaturas têm maior importância do que simplesmente o entendimento sobre o estado final da transformação.
EXEMPLOS
Como exemplo, podemos imaginar um diagrama TTT – tempo, temperatura e transformação de uma liga de aço da qual se deseja conhecer a estrutura final dos microconstituintes para cada uma das amostras tratadas termicamente e que partiram de 750 °C, conforme as três opções listadas:
· 1
Baixar bruscamente a temperatura até 360 °C; em seguida, estabilizar nessa temperatura por três horas, para então resfriar até a temperatura ambiente.
· 2
Baixar bruscamente a temperatura até 240 °C; em seguida, estabilizar nessa temperatura por 1,5 minutos, para então resfriar até a temperatura ambiente.
· 3
Baixar bruscamente a temperatura até 650 °C; em seguida, estabilizar nessa temperatura por 20 segundos, resfriar novamente de forma rápida até 400 °C, manter agora por 10 segundos e resfriar até a temperatura ambiente,
Diagrama 6. Diagrama TTT de uma liga de aço. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014. (Adaptado).
Para o caso da alternativa (a), observa-se no Diagrama 7 que, resfriando rapidamente até 360 °C e mantendo nessatemperatura por três horas (cerca de 104 segundos), a austenita (A) se converte isotermicamente em 100% de bainita (B). Mesmo com um resfriamento posterior que cruza as linhas da martensita (M), nenhuma outra transformação ocorre devido aos 100% de transformação inicial de A para B.
Para o caso da alternativa (b), resfriando rapidamente até 240 °C e mantendo nessa temperatura por 1,5 minutos (cerca de 102 segundos), a austenita (A) se converte em 100% de martensita (M), pois não chega a cruzar a curva de início de transformação de bainita (B). 
Para o caso da alternativa (c), quando ocorre o resfriamento em dois estágios, observamos no Diagrama 7 que, resfriando rapidamente até 650 °C e mantendo nessa temperatura por 20 segundos, a austenita (A) se converte isotermicamente em 50% de perlita (P). Após um novo resfriamento rápido até 400 °C e mantendo assim por 10 segundos, os 50% restantes de austenita se transformam em bainita (B). Como nesse ponto não há mais austenita residual alguma, o resfriamento final que cruza as linhas da martensita não gera mais transformações. Assim, a composição da microestrutura final após o tratamento seria de 50% perlita + 50% bainita.
Diagrama 7. Três tratamentos térmicos apresentados sobre um diagrama TTT. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014. (Adaptado).
SINTETIZANDO
Nesta unidade foram apresentados conceitos que irão permitir ao engenheiro a compreensão dos aspectos estruturais dos materiais em escala atômica, assim como das propriedades dos metais usados em aplicações industriais que são afetadas pelas suas composições químicas, além das condições de temperatura e tempo de exposição durante e após seu processo de fabricação. Para isso, enfatizou-se a busca pela compreensão que cada aplicação requer uma caracterização diferente dos materiais envolvidos, e que os tratamentos térmicos podem ser uma solução técnica e economicamente viável para a busca destas propriedades desejadas. 
Neste sentido, definimos os conceitos de metais, suas respectivas possibilidades de ligações atômicas e como isso pode ser útil em uma definição de um processo de fabricação ou do que fazer após esse processo. Buscou-se a compreensão sobre a formação dos cristais metálicos, células unitárias, condições de formação dos contornos de grão e em que ponto essas características atômicas podem influenciar nas propriedades mecânicas dos materiais nas suas mais diversas formas de aplicação. 
Estudamos o diagrama de fases de ligas e aço, assim como a importância de seu uso juntamente com as respectivas curvas de temperatura, tempos e transformação (TTT) que cada material possui. Vimos, também, os tratamentos termomecânicos, extremamente relevantes quando realizados ao longo dos processos de conformação a quente, nos quais foram analisados os mecanismos de transformações e os efeitos que podem ser alcançados em cada tipo de abordagem.
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Tratamentos de endurecimento por precipitação
Envelhecimento ou endurecimento por precipitação é um recurso para endurecer materiais maleáveis por meio do calor, a fim de melhorar as características de resistência. Tal tratamento térmico consiste em aquecer o metal até que ele alcance uma temperatura razoável de dissolução dos elementos da liga para uma posterior têmpera.
Esse procedimento endurece a liga por meio da geração de precipitados que dificultam a movimentação dos deslocamentos da estrutura cristalina. Como os deslocamentos garantem a plasticidade dos metais, a ausência deles resulta na elevação da resistência global do material. São alternativas de tratamentos térmicos que atendem não só as peças de aço como também componentes de alumínio, níquel, titânio e magnésio.
A técnica prevê um aquecimento inicial que dura de uma a vinte horas para dissolver os precipitados, alterando a composição do metal para supersaturada. Assim, se atinge a supersaturação da solução utilizando uma técnica de têmpera, feita em água ou numa mistura de ar com água, reforçando a uma solução sólida e tornando o metal mais dúctil e preparado para a próxima fase do endurecimento por precipitação.
O aço submetido ao endurecimento por precipitação é aquecido a uma temperatura subordinada às propriedades desejadas.
Alguns aços são aquecidos até 820 °C para, então, receber elementos difundidos ao longo da estrutura do metal até que ele fique supersaturado. Com isso, a quantidade dos compostos dissolvidos no aço é maior do que seria atingido nessa mesma solução quando à temperatura ambiente.
Durante o processo, uma nova fase, que consiste em pequenos átomos conhecidos como precipitados, é concebida. Os precipitados são partículas homogêneas constituídas dentro da matriz de fase original. Em síntese, o primeiro passo no trabalho com metal aqui abordado é aquecê-lo para posterior tratamento de endurecimento por precipitação, também batizado de tratamento de envelhecimento.
Nota-se que é de extrema relevância o entendimento das variáveis envolvidas nos tratamentos térmicos de endurecimento por precipitação, que, no meio industrial, têm sido denominados de envelhecimento. Os resultados são muito promissores no que diz respeito à melhoria das propriedades mecânicas dos metais, mas limitados a percentuais específicos de elementos de liga para chegar a eles.
CARACTERIZAÇÃO DOS AÇOS
Como já detalhado, o aço é fabricado com a adição de uma pequena porcentagem de carbono ao minério de ferro, pois o ferro puro é um material macio e dúctil e, com o carbono, ele fica duro e forte. 
A quantidade de carbono na mistura afeta o quão duro e forte o metal fica, o que é declarado em termos de resistência e ductilidade do aço. Em geral, quanto maior o teor de carbono, mais duro o aço fica, seja no estado recozido, seja no endurecido.
Contudo, quando a porcentagem de carbono se aproxima ou excede a faixa de 3%, o metal sofre uma adulteração relativa ao alto percentual de carbono e se converte em ferro fundido. Aços de baixo carbono, com teor de 0,08 a 0,25% de carbono, são considerados aços de usinagem geral e são endurecidos apenas por cementação. Gêneros comerciais de aço, como o AISI 1018 ou AISI 1117, são classes comuns de aço de baixo carbono.
Os aços de carbono médio têm teores de 0,25 a 0,60%, se enquadrando na descrição de aços de liga média e podendo ser endurecidos como estão, mas não desenvolvendo altos níveis de dureza, como na maioria das ferramentas. São aços fortes e muito resistentes, empregues em engrenagens, eixos ou superfícies de mancal de rolamento. As classes como AISI 1045 ou AISI 4140 são aços de carbono médio comuns.
Os aços de alto carbono, com conteúdo entre 0,60 e 2,40%, são aços de alta liga e aços para ferramentas. As classes de AISI 1095 a aços de alta velocidade estão dentro deste grupo. O sistema identificador AISI (American Iron and Steel Institute) indica para os vários tipos de aço qual é o nível de carbono e em que faixa se enquadra:
· AISI categoriza os aços num sistema de classificação identificado nos dois primeiros dígitos. Numa classe AISI 1018, o 10 significa que este aço é um aço carbono sem sulfatos. O enxofre, ou sulfato, é acrescentado para aumentar a usinabilidade;
· O segundo conjunto de dígitos aponta a faixa percentual de carbono, declarada como nominal. Uma classe identificada como 1018 designa um aço carbono, sem sulfatos e com teor nominal de 0,18%;
· Se houver uma letra no centro da designação, como 12L14 ou 11L17, a letra sugere um elemento acrescido. L1 para aço ressulfurado, L2 para aço livre para usinagem livre, ressulfurizado e refosforizado, 3X (31, 32, 33 e 34) para aço níquel-cromo e 41 para aço cromo-molibdênio.
Como os efeitos do carbono distorcem a ductilidade e a resistência dos aços, a verdadeira conquista é endurecê-lo e deixá-lo útil para uma ampla variedade de aplicações, como o aço AISI 1095, que tem uma quantidade pequena de manganês para a força, mas que não acrescenta nada em termos de endurecimento.
Logo, se o aço AISI 1095 for aquecido até sua temperatura crítica (temperatura de austenização) e o extinguir em solução de águaou salmoura, ele produz um aço muito duro, mas a uma profundidade de apenas 1,016 a 2,032 mm. Nesse caso, o núcleo do aço permanece intacto e muito resistente. Se fosse somado 1,5% de manganês, era o suficiente para encorpar a profundidade da dureza. No Quadro 1, é possível ver o efeito dos elementos sobre o aço.
Quadro 1. Efeito dos elementos no aço.
Os elementos que proporcionam melhor usinabilidade – enxofre, chumbo, fósforo e carbono livre – são elementos puros da terra e são classificados como sujeira porque, quando associados ao aço, não se homogeneízam ou se misturam, uma vez que tendem a segregar e instituir cadeias ou grupos químicos.
Esses grupos, em seu estado não homogeneizado, não aceitam os outros elementos que permitem o endurecimento. Por isso, eles não são aproveitados em aços para ferramentas, visto que têm um efeito pronunciadamente ruim na vida útil da ferramenta, se eles se congregarem perto de uma ponta.
Os aços de baixo carbono são os mais produzidos para elementos estruturais, como elementos de fixação, chapas para carcaça de carros ou ainda componentes móveis de máquinas e equipamentos. São metais à base de ferro e com menos de 0,25% de carbono na composição.
Quando se fala em tratamentos térmicos, os aços de baixo carbono são pouco propensos à concepção de martensita, já que tais microestruturas são compostas por ferrita e perlita. Com isso, eles apresentam baixa dureza e resistência, mas com ductilidade, usinabilidade, soldabilidade, tenacidade, baixo custo e um limite de escoamento na casa dos 275 MPa e limites de resistência a tração entre 415 e 550 MPa. O Diagrama 1 traz um mapa conceitual com as subdivisões de várias ligas ferrosas.
Diagrama 1. As subdivisões das famílias de ligas ferrosas. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014.
AÇÕES DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS NOS METAIS
Os tratamentos térmicos são realizados de maneiras diversas, desde seu aquecimento, no qual se aquece o metal com uma tocha, uma bobina de indução elétrica ou um pote de sal fundido, ou por meio de banhos de chumbo, leitos fluidos ou um forno, até seu resfriamento no forno, ao ar livre, em óleo, em água etc. De acordo com a necessidade, o material adquire qualidades distintas.
Tais métodos alteram qualidades mecânicas nas peças, como rudeza, resistência e ductilidade, durante após ou sua fabricação. No Diagrama 2, se vê uma típica curva tensão-deformação de um metal, na qual se ressalta o limite de elasticidade do material (ponto pl), acima do qual a matéria começa a exibir deformação permanente. Já o limite de resistência à tração (Su) é a tensão máxima suportada pelo material e a tensão de ruptura (Sl), o momento em que ele se rompe. Todos os pontos podem ser modificados com tratamentos térmicos nos metais.
Diagrama 2. Típico diagrama de tensão-deformação de metais. Fonte: BUDYNAS; NISBETT, 2011, p. 33. (Adaptado).
Ainda no Diagrama 2, a ductilidade é associada à capacidade do material de se deformar plasticamente antes que se rompa. Um aço é dúctil quando desenvolve deformação plástica (região entre os pontos y e f) considerável antes da ruptura (em f). Caso tenha o predomínio da parte reta do diagrama, na qual só ocorre deformação elástica (entre o e pl), o material será frágil.
A função de uma têmpera é remover o calor com rapidez suficiente para minimizar as transformações por difusão em ferrita ou perlita de forma controlada. Ela também minimiza, na medida do possível, gradientes térmicos dentro da peça que venham a causar deformação plástica e tensões residuais. As deformações e tensões residuais ocasionam problemas quando a peça é usinada ou colocada em uso.
Outro gênero é o dos aços cementados, utilizados em eixos, engrenagens, rolamentos e diversas peças de máquinas com superfícies de intenso contato. A maioria dos componentes da máquina são tensionados ciclicamente e a resistência à fratura por fadiga vira um fator crítico do projeto. Nesses casos, são necessárias ações para elevar a resistência à fadiga por contato e à fadiga por flexão rotativa, dependendo da aplicação. Muitos fatores de processamento e microestruturais afetam o desempenho da resistência à fadiga em casos de flexão, como as quantidades e distribuição de martensita e austenita retida e o desenvolvimento de tensões compressivas residuais superficiais favoráveis.
Essencial para uma boa qualidade, os tratamentos térmicos são feitos com um resfriamento controlado e uniforme. A velocidade de resfriamento necessária para conceber martensita ou bainita e evitar transformações prematuras e inaceitáveis da estrutura é determinada pela composição do aço e pelo meio usado na refrigeração, como os sais de óleo, água ou misturas aditivadas. Além disso, se tem em conta que a superfície e o núcleo das peças de aços endurecidas se modificam em temperaturas diferentes em razão dos conteúdos de carbono.
No Diagrama 3, é dado um zoom no diagrama ferro-carbono, no qual são notadas concentrações de 0% a 2% de carbono, ilustradas pelas microestruturas e grãos em cada uma das fases. A região da austenita abrange amplas faixas de composição e temperatura, confirmando o fato de que austenita é o nome da estrutura e não está associada a uma composição específica. Para uma composição hipoeutetoide como a 0,4% C, uma parte de aço será austenítico à temperatura T1, como no Diagrama 3. A uma taxa de resfriamento lenta, a transformação austenítica começa quando a temperatura atinge a linha GE ー neste ponto, a ferrita está sendo desenvolvida a partir da austenita.
Entre a linha GE e 723 °C, cada vez mais ferrita está sendo formada e a austenita restante fica mais rica em carbono, chegando a 0,8% em 723 °C, também conhecida como temperatura eutetóide. Logo abaixo dessa temperatura, a austenita restante vira perlita grossa. À temperatura ambiente, a microestrutura do aço hipoeutetoide será um composto de ferrita e perlita. A porcentagem alusiva à fase entre ferrita e perlita está sujeita ao teor de carbono do aço e à presença de ligas de elementos no aço.
Diagrama 3. Diagrama simplificado da fase fe-c relacionada às transformações do aço. Fonte: CALLISTER; RETHWISCH, 2014.
EFEITOS DOS ELEMENTOS DE LIGA NAS PROPRIEDADES DOS AÇOS
Os elementos de liga são adicionados ao aço para promover a temperabilidade, resistência, dureza e usinabilidade. 
A regra básica, como evidenciada a seguir, é que o cromo deixa o aço mais duro, ao passo que o níquel e o manganês o tornam mais resistente. Porém, a regra de que o cromo endurece o aço se dirige apenas ao inoxidável, com 2% de carbono e 12% de cromo. Para outros aços, o efeito do cromo é mais modesto. Da mesma maneira, a regra de que o níquel e o manganês dão mais resistência se concentra no aço com 13% de manganês, e o efeito na tenacidade é variável para outras composições:
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Temperabilidade
–
Carbono, Cromo, Boro, Manganês, Molibdênio, Fósforo, Titânio;
Resistência
–
Carbono, Cromo, Cobalto, Cobre, Manganês, Molibdênio, Nióbio, Fósforo, Silício, Tântalo, Tungstênio, Vanádio, Níquel;
Dureza
–
Cromo, Níquel, Cálcio, Cério, Magnésio, Molibdênio, Nióbio, Tântalo, Telúrio, Vanádio, Zircônio;
Usinabilidade
–
Enxofre, Chumbo, Manganês, Fósforo, Selênio, Telúrio.
É importante entender a capacidade que um elemento de liga tem para melhorar a formação de uma fase específica ou estabilizá-la, já que eles são classificados como elementos formadores de austenita, de ferrita, de carbonetos ou por nitretos.
Deste modo, as propriedades de um material são determinadas por seus parâmetros de constituição, isto é, composição e condição de tratamento térmico. O resultado do tratamento térmico se submete à geometria, composição química e condição do material, bem como aos parâmetros do tratamento térmico.
CURIOSIDADE
A NASA desenvolveu uma nova liga níquel-titânio (NiTi) não corrosiva, que substitui o aço, uma maneira barata de aumentar a capacidade de carga e diminuir o peso de um rolamento de esferas. De modo a superar esse problema, foi criada uma nova e mais avançada liga, composta de Níquel,