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DIAGRAMA TRANSFORMAÇÃO –TEMPO- TEMPERATURA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA: SIDERURGIA ATENÇÃO O CONTEÚDO AUDIOVISUAL DESTA AULA É EXCLUSIVO PARA FINS ACADÊMICOS, ESTANDO PROTEGIDO PELAS LEIAS DE PROPRIEDADE INTELECTUAL. PROIBIDO A SUA CESSÃO OU OUTRA FORMA DE UTILIZAÇÃO NÃO AUTORIZADA DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA E CURVAS TTT. Um aço resfriado lentamente a partir do campo austenítico apresentará, à temperatura ambiente, uma ou mais fases: ferrita, perlita, e cementita. Porém, se o resfriamento do aço a partir da região austenítica for muito rápido, aparecerão outros constituintes metaestáveis, como a bainita e a martensita, que não são previsto pelo diagrama Fe-Fe3C. EFEITO DA VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO SOBRE A TRANSFORMAÇÃO DA AUSTENITA. Esse efeito dos constituintes obtidos pela decomposição lenta da austenita sobre as propriedades mecânicas do aço embora apreciável, está longe de ser comparados ao efeito que pode ser conseguido pelo resfriamento rápido da austenita. Seja um aço eutetóide – que apresenta uma única temperatura crítica a 727° C, abaixo dessa temperatura tem só perlita, em condições de resfriamento lento. Com maiores velocidades de resfriamento o produto que resulta da transformação nessas condições, até uma certa velocidade ainda é perlita. Com velocidades cada vez maiores ocorre uma nova transformação , dando origem a um constituinte completamente diferente, a “ martensita”. 2% nital - 100X 2% nital - 1000X Dentro de uma faixa de velocidade de resfriamento, há formação simultânea de dois constituintes perlita + martensita. Finalmente na chamada velocidade crítica de resfriamento desaparece inteiramente a primeira transformação cessando a formação da perlita, permanecendo somente a segunda transformação tendo como produto a martensita. FERRITA E CEMENTITA TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA - CURVA TTT - EM C OU EM S Os fenômenos que ocorrem quando o aço é resfriado em diferentes velocidades são melhor compreendidos pelo estudo da transformação isotérmica da austenita em perlita, em diversas temperaturas abaixo de 727ºC, ou seja, pelo resfriamento rápido de um aço eutetóide até a temperatura de 727°C, mantendo-se a seguir essa temperatura constante até que toda transformação da austenita se processe. A transformação em perlita obedecerá a uma curva de reação isotérmica, como indicada na figura abaixo, na qual se considerou um resfriamento brusco da austenita a 600°C. A temperatura desempenha um papel importante na taxa de transformação da austenita em perlita, a dependência em relação à temperatura para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide está demonstrada nas curvas do gráfico abaixo, plotado na forma de S que mostram a porcentagem de transformação em função do logaritmo do tempo para três temperaturas diferentes, após resfriar rapidamente uma amostra composta por 100% de austenita até a temperatura indicado no gráfico; onde foi mantida constante ao longo de todo o curso da reação. Liga Fe-c com 0,76%C, a fração reagida isotermicamente em função do logaritmo do tempo para transformação da austenita em perlita. a- região de encubação para os átomos se rearranjarem e formarem os primeiros núcleos de perlita. b– Após os aparecimento dos núcleos , estes começarão a crescer e a austenita vai se transformando rapidamente em perlita. c – Os nódulos de perlita se tocam e esse impedimento físico faz com que a transformação ocorra mais lentamente em sua forma final. As curvas em S ou os diagramas TTT nos mostram que a cada temperatura, ocorre a formação de determinado constituinte. Os tratamentos isotérmicos baseiam-se nesse fato e, em geral, consistem na austenitização, seguida de um resfriamento rápido até uma determinada temperatura, onde a peça permanece até a transformação da austenita se completar. Um diagrama para uma transformação isotérmica (parte inferior) é gerado a partir de medições da porcentagem da transformação em função do logaritmo do tempo (parte superior). •A transformação da austenita em perlita ocorre apenas se a liga for super resfriada até abaixo da temperatura do eutetóide •À esquerda da curva do início de transformação apenas austenita estará presente, enquanto que a direita da curva do término de transformação apenas existirá perlita. Entre as duas curvas ambos estão presentes. DIAGRAMA ISOTÉRMICO COMPLETO – AÇO LIGA 4340 Diagrama de transformação isotérmica para um aço-liga (tipo 4340): A= austenita; B= bainita; P = perlita; M= martensita; F= ferrita proeutetóide. A curva TTT abaixo mostra a representação de uma transformação de fase durante um ciclo térmico. A curva mais à esquerda (azul) corresponde ao início das transformações e a mais à direita (cor vermelha) ao fim das transformações. Nas duas curvas existem duas retas horizontais denominadas respectivamente Mi e Mf. São as temperaturas de início e fim de transformação martensítica. Quando uma curva de resfriamento cruza a curva TTT a transformação ocorre, na região assinalada por um serrilhado. Sabemos qual a estrutura é formada analisando-se em que região da curva TTT ocorreu a transformação. Mi Mf (W.F. Smith, “Structure and Properties of Engineering Alloys”, McGraw-Hill, 1981, p. 14. Reproduzido com permissão de The McGraw-Hill Companies.) Experiências efetuadas para determinação das alterações na microestrutura durante a transformação isotérmica de um aço-carbono a 705 ºC. Após a austenitização, as amostras são temperadas em um banho de sais a 705 ºC e aí mantidas durante o tempo indicado, sendo depois temperadas em água à temperatura ambiente. Diagrama de transformação isotérmica de um aço-carbono eutetóide, em que se mostra a relação com o diagrama de fases Fe-Fe3C. CURVA REAL DE UM TRATAMENTO ISOTÉRMICO Diagrama de transformação isotérmica para uma liga Fe-C com composição eutetóide, mostrando a superposição da curva para um tratamento térmico isotérmico (ABCD). As microestruturas antes e depois da transformação da austenita em perlita estão mostradas. A Figura apresenta o diagrama TTT de transformação isotérmica (à temperatura constante) do aço carbono eutetóide (0,77% C). No eixo vertical são mensuradas as temperaturas e no eixo horizontal os tempos de reação em escala logarítmica. Nesse diagrama há duas curvas que indicam os tempos de início e fim das modificações de fase no aço. A curva da esquerda indica o início da transformação e a da direita o seu término. CURVA DE TRATAMENTO ISOTÉRMICO CURVA DE TRATAMENTO ISOTÉRMICO CURVA DE UM TRATAMENTO ISOTÉRMICO DIAGRAMA COMPLETO DO AÇO EUTETÓIDE À medida que a temperatura de transformação é reduzida (aumento taxa) após a formação de perlita fina, um novo microconstituinte é formado: a bainita. Como ocorre na perlita (lamelas) a microestrutura da bainita consiste nas fases ferrita e cementita, mas os arranjos são diferentes (agulhas ou placas) . No diagrama de transformação isotérmica a bainita se forma abaixo do “joelho” enquanto a perlita se forma acima. BAINITA BAINITA Para temperaturas entre 300 ° C e 540 °C a bainita se forma como uma série de agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita (bainita superior) Para temperaturas entre 200 °C e 300 °C a ferrita encontra-se em placas e partículas finas de cementita se formam no interior dessas placas (bainita inferior) A fotomicrografia (a) apresenta uma estrutura bainítica superior com finíssimas agulhas de ferrita e (b) apresenta uma estrutura bainítica inferior com partículas alongadas de cementita formadas no interior das placas de ferrita CURVA DE UM TRATAMENTO ISOTÉRMICO CURVA DE UM TRATAMENTO ISOTÉRMICO 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. Em cada caso assuma que inicialmente a amostra estava a 760°C(1400°F) e que havia sido mantida nessa temperatura tempo suficiente para ser obtida uma estrutura homogênea totalmente austenítica. a) Resfriar rapidamente até 350°C (660 F), manter por 104 s e, então, temperar até a temperatura ambiente. b) Resfriar rapidamente até 250°C (480 F), manter por 100 s e, então, temperar até temperatura ambiente. c) (c) Resfriar rapidamente até 650°C (1200 F). manter por 20 s, resfriar rapidamente até 400 °C (750 F), manter por 103s e, então, temperar até a temperatura ambiente EXEMPLO 1 (a) A 350°C, a austenita transforma-se isotermicamente em bainita; essa reação começa após aproximadamente 10 segundos e está concluída depois de transcorridos cerca de 500 segundos. Portanto, passados 104 segundos, como estipulado no problema, 100% da amostra é bainita, e nenhuma transformação adicional é possível, não obstante a linha de têmpera final passar através da região da martensita no diagrama. (b) Nesse caso, leva-se cerca de 150 segundos a 250°C para que a transformação bainítica se inicie, de modo que após 100 segundos, a amostra ainda é 100% austenita. Conforme a amostra é resfriada pela região da martensita, iniciando a cerca de 215°C, progressivamente uma maior quantidade da austenita transforma-se instantaneamente em martensita. Essa transformação já está concluída no momento em que a temperatura ambiente é atingida, tal que a microestrutura final consiste em 100% martensita. adicional é possível, uma vez que não existe nenhuma austenita residual; dessa forma, a microestrutura final à temperatura ambiente consiste em 50% perlita e 50% bainita. (c) Para a linha isotérmica a 650°C, a perlita começa a se formar após cerca de 7 segundos; depois de transcorridos 20 segundos, apenas cerca de 50% da amostra se transformou em perlita. O resfriamento rápido até 400°C está indicado pela linha vertical; durante esse resfriamento, uma quantidade muito pequena, se alguma, da austenita residual irá se transformar em perlita ou bainita, embora a curva de resfriamento passe através das regiões da perlita e da bainita no diagrama. A 400°C, começamos a cronometrar o tempo, essencialmente a partir de zero, assim, depois de transcorridos 10³ segundos, todos os 50% residuais de austenita terão se transformado completamente em bainita. Na têmpera até a temperatura ambiente, nenhuma transformação adicional é possível, uma vez que não existe nenhuma austenita residual; dessa forma, a microestrutura final à temperatura ambiente consiste em 50% perlita e 50% bainita. (“Suiting the Heat Treatment to the Job”, United States Steel Corp., 1968, p. 34. Cortesia de United States SteelCorporation.) A MARTENSITA https://books.google.com.br/books?id=skGxDwAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=pt-BR https://books.google.com.br/books?id=skGxDwAAQBAJ&prints ec=frontcover&hl=pt-BR https://books.google.com.br/books?id=phmzDwAAQBAJ&pri ntsec=frontcover&hl=pt-BR A MARTENSITA A martensita é formada quase que instantaneamente na têmpera. O aspecto agulhado da microestrutura está relacionado com a inércia da rede (CFC) cúbica de face centrada da austenita em rearranjar-se na rede (CCC) cúbica de corpo centrado da ferrita, devido às altas taxas de resfriamento envolvidas neste tratamento térmico. Durante a têmpera, a estrutura CFC não consegue transformar-se na estrutura CCC, pois os átomos de carbono nos interstícios da CFC impedem o arranjo. Em virtude disto, a estrutura CFC não consegue se ajustar, então, seus planos cisalham para comportar o carbono, formando a rede tetragonal de corpo centrado (TCC) da martensita. As agulhas de martensita observadas ao microscópio correspondem exatamente às linhas formadas pelos planos cisalhados . Na fase martensita, todo o carbono permanece em solução sólida, dificultando o escorregamento dos planos quando o material é tensionado, por isso, é bastante dura e frágil, na verdade a martensita é a fase mais dura possível de se obter em um aço carbono. A martensita se forma quando o resfriamento for rápido o suficiente de forma a evitar a difusão do carbono, ficando o mesmo retido em solução. Como consequência disso, ocorre a transformação polimórfica mostrada ao lado. Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo). A MARTENSITA Sendo uma fase fora de equilíbrio, a martensita não aparece no diagrama de fases ferro – carboneto de ferro É uma solução sólida supersatura de carbono (não se forma por difusão), todo o carbono permanece intersticial, podendo transformar-se em outras estruturas por difusão quando aquecida É dura e frágil, por isso é sempre necessário um tratamento de revenimento após a formação de martensita Duas microestruturas são encontradas em função do teor de carbono; em ripas e lenticular (placas). A MARTENSITA MARTENSITA EM FORMA DE RIPAS Para ligas que contêm menos do que cerca de 0,6%de C, a fase martensita se formam como ripas. São placas longas e finas, tais como as lâminas de uma folha. Os detalhes microestruturais são muito finos e técnicas de micrografia eletrônica devem ser aplicadas para a análise dessa microestrutura. MARTENSITA EM FORMA LENTICULAR (PLACAS) A martensita lenticular (ou em placas) é encontrada em ligas ferro-carbono com concentrações maiores que 0,6% de C. Na fotomicrografia pode-se observar a martensita em forma de agulhas (regiões escuras) e austenita que não se transformou durante o resfriamento (regiões claras) denominada austenita retida. . MARTENSITA REVENIDA No estado temperado, a martensita, além de ser mais dura, é tão frágil que não pode ser utilizada para a maioria das aplicações As tensões internas que possam ter sido introduzidas durante a têmpera tem um efeito de enfraquecimento A ductilidade e a tenacidade podem ser aprimoradas e as tensões internas aliviadas por meio de um tratamento de revenimento. O revenido é conseguido através do aquecimento de um aço martensítico até uma temperatura abaixo do eutetóide durante um intervalo de tempo específico 1. (Temperatura ambiente até 200°C) – a martensita se transforma em um precipitado de transição cuja composição varia de Fe2C a Fe3C. 2. (de 200 a 300°C) – qualquer austenita retida se decompõe em bainita (mescla fina de ferrita e cementita). 3. (de 260 a 360°C) – a martensita de baixo carbono e o carboneto, se decompõem em ferrita e cementita. 4. (de 360 até a temperatura eutetóide, 727°C) – se produz uma esferoidização e um crescimento das partículas de carboneto. REVENIMENTO DA MARTENSITA TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C Exercício 1: Usando o diagrama do slide seguinte construa a transformação isotérmica para uma liga Fe-C em composição eutetóide, especificar a natureza da microestrutura final de uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos térmicos tempo x temperatura: Curva 1 - Rápido resfriamento até 160°C e manutenção da T por 10s. Nesta T, apenas metade da austenita transforma-se em martensita. Microestrutura final é composta por 50% de martensita e 50% de austenita. Curva 2 - Resfriamento rápido até 250°C e manutenção da T por 102 s, com subsequente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por 100% de martensita. Curva 3 - Resfriamento rápido até 300°C e manutenção da T por 500s, com subsequente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por 50% de bainita e 50% de martensita. Curva 4 - Resfriamento rápido até 600ºC e manutenção da T por 104 s, com subsequente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por perlita. O resfriamento subsequente não mudará nada, independente da velocidade de resfriamento adotada. 1 Curva 1 - Rápido resfriamento até 160°C e manutenção da T por 10s. Nesta T, apenas metade da austenitatransforma-se em martensita. Microestrutura final é composta por 50% de martensita e 50% de austenita. 2 Curva 2 - Resfriamento rápido até 250°C e manutenção da T por 102 s, com subsequente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por 100% de martensita. 3 Curva 3 - Resfriamento rápido até 300°C e manutenção da T por 500s, com subsequente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por 50% de bainita e 50% de martensita. 4 Curva 4 - Resfriamento rápido até 600ºC e manutenção da T por 104 s, com subsequente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por perlita. O resfriamento subsequente não mudará nada, independente da velocidade de resfriamento adotada. EXERCÍCIO 1- CONTINUAÇÃO 1 2 3 4 EXERCÍCIO 1- RESPOSTA ENSAIO DE TEMPERABILIDADE – JOMINY O ensaio Jominy de temperabilidade destina-se ao teste da temperabilidade de aços. O ensaio consiste em um corpo de prova padronizado de aço a ser testado, sendo aquecido para a temperatura de têmpera e resfriado bruscamente em uma face frontal, em um dispositivo, por meio de um jato d’água ascendente. Nas superfícies de ensaio retificadas em paralelo e o eixo do corpo de prova mede-se a dureza em distâncias determinadas, iniciando na face frontal resfriada bruscamente. Quando analisados os resultados as curvas do ensaio Jominy para um determinado material pode-se verificar que existe uma faixa de dureza. Essa faixa é devido a dispersão dos resultados dos ensaios executados para a realização da norma. A dispersão dos resultados para um mesmo material ocorre por algumas razões como às diferenças na estrutura dos aços (tamanho de grão, inclusões, etc.) e nas composições químicas. (H.E. McGannon (ed.), “The Making, Shaping, and Treating of Steel”, 9. ed., United States Steel Corp.,1971, p. 1099.Cortesia de United States Steel Corporation.) O TESTE JOMINY O TESTE JOMINY Correlação entre o diagrama de resfriamento (transformação) contínuo e os resultados do ensaio de temperabilidade Jominy de um aço-carbono eutetóide. A maioria dos tratamentos térmicos para os aços envolve o resfriamento contínuo de uma amostra até a temperatura ambiente. Um diagrama de transformação isotérmica só é válido para temperatura constante e tal diagrama deve ser modificado para transformações com mudanças constantes de temperaturas. No resfriamento contínuo o tempo exigido para que uma reação tenha seu início e o seu término é retardado e as curvas são deslocadas para tempos mais longos e temperaturas menores. RESFRIAMENTO CONTÍNUO A transformação tem início após um período de tempo que corresponde à intersecção da curva de resfriamento com a curva de início da reação, e termina com o cruzamento da curva com o término da transformação. Normalmente, não irá se formar bainita para aços ferro-carbono resfriados continuamente, pois toda a austenita se transformará em perlita. Para qualquer curva de resfriamento que passe por AB a austenita não reagida transforma-se em martensita. RESFRIAMENTO CONTÍNUO Para o resfriamento contínuo de uma liga de aço existe uma taxa de têmpera crítica que representa a taxa mínima de têmpera para se produzir uma estrutura totalmente martensítica . Para taxas de resfriamento superiores à crítica existirá apenas martensita. Além disso existirá uma faixa de taxas em que perlita e martensita são produzidos e finalmente uma estrutura totalmente perlítica se desenvolve para baixas taxas de resfriamento. RESFRIAMENTO CONTÍNUO (R.A. Grange and J.M. Kiefer, adaptado por E.C. Bain and H.W. Paxton, “Alloying Elements in Steel“, 2. ed., American Society for Metals, 1966, p. 254.) DIAGRAMA DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO DE UM AÇO- CARBONO EUTETÓIDE.. CURVA DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO (R.E. Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles,” 2.. ed., D. Van Nostrand Co., 1973 © PWS Publishers.) (R.E. Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles,” 2.. ed., D. Van Nostrand Co., 1973 © PWS Publishers.) VARIAÇÃO DA MICROESTRUTURA DE UM AÇO-CARBONO EUTETÓIDE RESFRIADO CONTINUAMENTE A VELOCIDADES DIFERENTES. VARIAÇÃO DA MICROESTRUTURA DE UM AÇO-CARBONO HIPOEUTETÓIDE RESFRIADO CONTINUAMENTE A VELOCIDADES DIFERENTES. As microestruturas resultantes: Martensíta Ferrita e martensita Ferrita, perlita e martensita Ferrita e perlita fina Ferrita e perlita grosseira Diagrama TRC Fe-0.30wt%C (R.E. Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles,” 2.. ed., D. Van Nostrand Co., 1973 © PWS Publishers.) VARIAÇÃO DA MICROESTRUTURA DE UM AÇO-CARBONO HIPOEUTETÓIDE RESFRIADO CONTINUAMENTE A VELOCIDADES DIFERENTES. Identificar sequência de resfriamento a) 100% martensita b) Perlita, ferrita e bainita c) Perlita e ferrita d) 50%Bainita e 50%martensita Diagrama TTT Fe-0.45wt%C RESUMO DAS TRANSFORMAÇÕES PROPRIEDADES MECÂNICAS A cementita é mais dura, porém mais frágil do que a ferrita. Dessa forma aumentando a fração de Fe3C irá resultar em um material mais duro e mais resistente. A espessura da camada de cada fase também influencia. A perlita fina é mais dura e mais resistente que a perlita grosseira. A perlita fina possui maior restrição ao movimento de discordâncias e um maior reforço de cementita na perlita, devido à maior área de contornos de fases Na esferoidita existe uma menor área de contornos e menor restrição de discordâncias, portanto é menos dura e menos resistente Uma vez que a cementita é mais frágil, o aumento do seu teor resultará em uma diminuição de ductilidade nos aços; Os aços com perlita grosseira são mais dúcteis do que os com perlita fina, pois na perlita fina existe uma maior restrição à deformação plástica; O aço esferoidizado é extremamente dúctil, muito mais do que aqueles que apresentam perlita fina e perlita grosseira. Além disso são extremamente tenazes, pois a forma de esfera tem menor caráter concentrador de tensão. PROPRIEDADES MECÂNICAS A martensita é mais dura, mais resistente e mais frágil. A sua dureza depende do teor de carbono para aços com até aproximadamente 0,6% de C . Essas propriedades são atribuídas aos átomos de carbono intersticiais que restringem o movimento de discordâncias A martensita revenida (Ferrita+Fe3C) possui partículas de cementita extremamente pequenas, o que lhe dá uma melhor ductilidade e tenacidade. PROPRIEDADES MECÂNICAS FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DAS CURVAS TTT NOS AÇOS Teor de carbono Tamanho do grão da austenita Composição química (elementos de liga) Teor de carbono Quanto maior o teor de carbono e de elementos de liga no aço (com exceção do cobalto) mais para a direita se deslocam as curvas, facilitando a têmpera da liga ferro- carbono. Tamanho do grão da austenita Quanto maior o tamanho de grão da austenita antes do resfriamento, mais para a direita se deslocam as curvas, facilitando a têmpera. As transformações iniciam-se nos contornos de grão, contudo, o aumento do tamanho de grão prejudica algumas propriedades mecânicas do aço como dureza, por exemplo. Composição química (elementos de liga) Quanto mais homogênea a austenita (sem partículas de carboneto, impurezas, etc.) mais para a direita se deslocam as curvas TTT, o que facilita a têmpera dos aços. Em geral quanto mais alta a temperatura de aquecimento e quanto maior o tempo de permanência mais homogênea a austenita será. FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DAS CURVAS TTT NOS AÇOS INFLUÊNCIAS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS DIAGRAMAS TTT INFLUÊNCIAS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS DIAGRAMAS TTT • Influência no crescimento do grão: O crescimento do grão austenítico durante o tratamento térmico é um efeito indesejado. Felizmente o crescimento de grão é mais lento na presença de alguns elementos como por exemplo, o Nb, o V e o Ni. Estes elementos são chamados “refinadores de grão” e são adicionados no aço, muitas vezes, com esta finalidade. INFLUÊNCIAS DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS DIAGRAMAS TTT INFLUÊNCIAS DOS ELEMENTOSDE LIGA TRATAMENTO TÉRMICO É o tratamento térmico realizado com o fim de alcançar um ou vários dos seguintes objetivos: ➢ remover tensões devidas aos tratamentos mecânicos a frio ou a quente, ➢ diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade do aço, ➢ alterar as propriedades mecânicas como resistência, ductilidade, etc., ➢ modificar características elétricas e magnéticas, ➢ ajustar o tamanho de grão, ➢ regularizar a textura bruta de fusão, ➢ remover gases, ➢ produzir uma microestrutura definida, ➢ eliminar enfim os efeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânicos a que o aço tenha sido anteriormente submetido. FATORES DE INFLUÊNCIA NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ❑ Temperatura - depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada ❑ Tempo - tempo de trat. térmico depende muito das dimensões da peça e da microestrutura desejada; ✓ Quanto maior o tempo: maior a segurança da completa dissolução das fases para posterior transformação „ ✓ maior será o tamanho de grão ✓ Tempos longos facilitam a oxidação ❑ Velocidade de resfriamento ✓ Depende do tipo de l material e da transformação de fase ou microestrutura desejada. ✓ É o mais importante porque é ele que efetivamente e determinará a microestrutura, além da composição química do material. ❑ Atmosfera* - para evitar a oxidação ou perda de algum elemento químico (ex: descarbonetação dos aços) Há três tipos de recozimento utilizados para os aços: ➢ Recozimento pleno ou total; ➢ Recozimento Isotérmico ou cíclico ➢ Recozimento subcrítico para alívio de tensões; ➢ Esferoidização O recozimento total ou pleno – Visa reduzir a dureza do aço, aumentar a usinabilidade, facilitar o trabalho a frio ou atingir a microestrutura ou as propriedades desejadas. TRATAMENTO TÉRMICO - RECOZIMENTO (R.E. Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles,” 2.. ed., D. Van Nostrand Co., 1973 © PWS Publishers.) Consiste em aquecer o aço acima da zona crítica, durante o tempo necessário e suficiente para se ter solução do carbono ou dos elementos de liga no ferro gama, seguido de um resfriamento muito lento, seja mediante o controle da velocidade de resfriamento do forno ou desligando-se o mesmo e deixando que o aço resfrie ao mesmo tempo que este. Nestas condições obtém-se perlita grosseira que é a estrutura ideal para melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio carbono. TRATAMENTO TÉRMICO – RECOZIMENTO PLENO TRATAMENTO TÉRMICO - RECOZIMENTO Recozimento Isotérmico ou cíclico: Consiste no aquecimento do aço nas mesmas condições que o recozimento total, seguido de um resfriamento rápido até uma temperatura situada dentro da porção superior do diagrama de transformação isotérmico, onde o material é mantido durante o tempo necessário a se produzir a transformação completa. Em seguida, o resfriamento até a temperatura ambiente pode ser com maior velocidade e a estrutura final resultante é mais uniforme que no caso do recozimento pleno. TRATAMENTO TÉRMICO - RECOZIMENTO Recozimento subcrítico (alívio de tensões) – O aquecimento se dá a uma temperatura abaixo do limite inferior da zona crítica ( linha A1) – utilizado para recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio (encruado). Normalmente, o aquecimento do aço carbono fica na faixa de 595 a 675°C, seguido do resfriamento ao ar. As principais transformações que ocorrem neste tratamento são: ➢ a recuperação e a recristalização das fases encruadas. São também aplicados quando se deseja reduzir tensões residuais em estruturas ou componentes após soldagem, dobramento, resfriamento brusco (têmpera), etc. TRATAMENTO TÉRMICO - RECOZIMENTO FAIXA DE TEMPERATURAS PARA TRATAMENTOS TÉRMICOS ESFEROIDIZAÇÃO Os aços de alto carbono % C > 0,8% apresentam uma rede frágil de cementita ao redor da perlita. Esta quantidade maior de cementita presente nestes aços torna-os difíceis de usinar. Para melhorar a usinabilidade destes aços faz-se um tratamento de esferoidização. Assim chamado porque as partículas de cementita tornam-se esféricas após tempo prolongado de exposição a temperaturas ligeiramente subcríticas. O tratamento produz cementita esferoidal em matriz de ferrita, eliminando a presença de perlita e a rede de carbonetos frágeis anteriormente existentes na microestrutura. ESFEROIDIZAÇÃO OU COALESCIMENTO ➢ OBJETIVOS • Produzir uma estrutura globular ou esferoidal de carbonetos no aço (esferoidita). • Melhorar a usinabilidade, em geral de aços com alto teor de carbono. • Facilitar a deformação a frio. ➢ MÉTODO • O aquecimento da peça é feito por tempo prolongado a uma temperatura logo abaixo da linha inferior da zona crítica. Esta estrutura confere mínima dureza e máxima usinabilidade. ESFEROIDIZAÇÃO NORMALIZAÇÃO Tratamento térmico de recozimento usado para refinar os grãos (diminuir o tamanho médio dos grãos) e produzir uma distribuição de tamanhos mais uniforme e desejável. Aços perlíticos com grãos mais finos são mais tenazes que aços com grãos mais grosseiros. A normalização é obtida por aquecimento a uma temperatura aproximadamente de 55 a 85°C, acima da temperatura crítica superior. Após ter passado o tempo de austenização, resfria-se o material ao ar. É frequentemente usada antes da têmpera e revenimento. Na normalização, é obtida uma melhor homogeneização das microestruturas resultantes do que no recozimento pleno, pois a temperatura de tratamento é mais alta. A granulação mais fina é conseguida no resfriamento mais rápido. Método Aquecimento de um aço a temperaturas acima da sua zona crítica, mantendo-o nessa temperatura para completa homogeneização com posterior resfriamento ao ar. Aplicações • Peças fundidas e/ou forjadas. • Peças de grandes dimensões. NORMALIZAÇÃO ➢ Resfriamento • Ao ar (calmo ou forçado). ➢ Constituintes estruturais resultantes • Hipoeutetóide → ferrita + perlita fina. • Eutetóide → perlita fina. • Hipereutetóide → cementita + perlita fina. ➢ Observação Conforme o aço pode-se obter bainita. NORMALIZAÇÃO CURVAS DE RECOZIMENTO PLENO E NORMALIZAÇÃO NORMALIZAÇÃO TÊMPERA ➢ Objetivos Obter a martensita (constituinte metaestável endurecido do aço-carbono). Melhorar a resistência ao desgaste do aço. ➢ Método Aquecimento de um aço a temperaturas acima da sua zona crítica, mantendo- o nessa temperatura para completa homogeneização com posterior resfriamento em meios severos, como água ou óleo de têmpera. ➢ Aplicações Peças de aço com médio teor de carbono, excepcionalmente com teor elevado desse elemento. ➢ Temperatura A temperatura de tratamento térmico (aquecimento) recomendada para os aços hipoeutetóides é de 50°C acima da linha A3 e para os hipereutetóides entre as linhas Acm e A1. Aços hipoeutetóides – acima da linha A3. TÊMPERA Meios de resfriamento Depende da composição do aço (% de carbono e elementos de liga) e da espessura da peça (utiliza-se água, salmoura, óleo). A figura abaixo apresenta um aço temperado em óleo de têmpera apresentando microestrutura bem definida e não muito grosseira, em virtude de a severidade do resfriamento ser moderada. Figura: Microestrutura de aço temperado em óleo demonstrando ferrita em branco e a martensita (agulhas escuras) Figura: Aço duro temperado em água, agulhas escuras de martensita em um fundo de austenita retida, que não se transformou durante o resfriamento brusco, em branco. REVENIMENTO O tratamento térmico de revenimento geralmente acompanha a têmpera. ➢ Objetivos • Aliviar ou remover as tensões adquiridas na têmpera. • Corrigir a dureza e a fragilidade da peça, aumentando resistência, desgaste e tenacidade, minimizando os efeitos térmicos e mecânicos provocados pelo cisalhamento da estrutura austenitização. ➢ Método • Consiste no tratamento térmico após a têmpera, a temperaturas inferiores às críticas, seguido de resfriamento lento, efetivando alívio de tensões. ➢ Temperatura • Pode ser escolhida de acordo com as combinações de propriedades desejadas.REVENIMENTO ✓ Temperatura de tratamento: entre 100°C a 700°C; ✓ Tempo de permanência (encharque): Efeito completo do revenido pode não ser obtido se a duração não for suficiente; Deverá ser de ½ hora a 10 minutos de material; Para temperaturas baixas, escolhem-se durações mais longas do revenido. ✓ Resfriamento: normalmente realizado ao ar (pode ser realizado ao óleo) Essa denominação se aplica genericamente a qualquer temperatura de revenido. ➢ 150 a 230°C – Os carbonetos começam a precipitar. Estrutura – Martensita revenida (escura, preta). Dureza – Decresce de 65 RC para 60-63 RC. ➢ 230 a 400°C – Os carbonetos continuam a precipitar em forma globular, invisíveis ao microscópio ótico. A estrutura perceptível ao microscópio é uma massa escura chamada troostita. Estrutura – Perlita fina (Troostita). Dureza – Decai de 62 RC para 50 RC. ➢ 400 a 650°C – Os carbonetos crescem em glóbulos, visíveis ao microscópio ótico. Estrutura – Sorbita. Dureza – cai de 50 RC para 20-45 RC. ➢ 650 a 738°C – os carbonetos formam partículas globulares visíveis ao microscópio comum. Estrutura – esferoidita.(muito tenaz) Dureza – decai a valores abaixo de 20 RC. MICROESTRUTURA DO REVENIMENTO A microestrutura da martensita revenida é similar a da cementita globulizada, mas possui partículas de Fe3C menores, o que acarreta em dureza e resistência maiores. MICROESTRUTURA DO REVENIMENTO TROOSTITA SORBITA MICROESTRUTURA DO REVENIMENTO ESFEROIDITA Abaixo podemos ver os comportamentos da dureza e da resistência ao impacto de um aço-carbono hipoeutetóide quando submetido a diferentes temperaturas de revenimento. Comportamento da dureza e da resistência ao choque (obtida em ensaio Charpy) em função da temperatura de revenimento para um aço 1045 temperado Fonte: Oliveira, 2007 Tratamentos Térmicos Recozimento Total ou Pleno Recozimento Isotérmico Normalização Têmpera e Revenido Resfriamento Lento (dentro do forno) Resfriamento ao ar TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS - AUSTÊMPERA Esse tratamento isotérmico é adequado a aços de alta temperabilidade, ou seja, àqueles com alto teor de carbono. ➢ A peça é aquecida acima da zona crítica até a completa austenitização ➢ Resfriamento brusco em banho de sais fundidos, óleo, chumbo para a região bainítica. ➢ Transformação da austenita em bainita. ➢ Resfriamento ao ar até a temperatura ambiente. O principal objetivo é obter produtos com alta ductilidade e resistência ao impacto, sem perda expressiva da dureza. TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS - AUSTÊMPERA Outro objetivo da austêmpera é reduzir a perda por trincas e empenos, bem como melhorar a precisão dimensional. Como a microestrutura resultante é composta essencialmente por bainita, não exige a realização de revenimento posterior. A dureza da bainita (constituinte resultante da austêmpera) é de, aproximadamente, 50 HRC e a dureza da martensita é de 65 a 67 HRC. Os aços que podem ser utilizados no processo pertencem às classificações que seguem: ▪ Aços-carbono com 0,5 a 1,0% C e com um mínimo de 0,6,% de Mn. ▪ Aços-carbono com mais de 0,9% C e pouco menos de 0,6 % de Mn. ▪ Aços-carbono com menos de 0,5% C e com 1,0 a 1,65 % de Mn. ▪ Alguns aços-liga com mais de 0,3% de carbono. TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS - AUSTÊMPERA Comparação entre a têmpera convencional + revenimento e a austêmpera. TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS - AUSTÊMPERA A aplicação da austêmpera requer uma análise cuidadosa das curvas TT dos aços. TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS - MARTÊMPERA A martêmpera ou têmpera interrompida é um tipo de tratamento isotérmico indicado para aços-liga. Esse tipo de processo reduz o risco de empenamento, trincas e tensões residuais das peças. A peça é aquecida acima da zona crítica para se obter a austenita (posição 1). Depois, é resfriada em duas etapas. Na primeira, a peça é mergulhada num banho de sal fundido ou óleo quente, com temperatura um pouco acima da linha Mi (posição 2). Mantém-se a peça nessa temperatura por certo tempo, tendo-se o cuidado de não cortar a primeira curva (posição 3). A segunda etapa é a do resfriamento final, ao ar, em temperatura ambiente (posição 4). A martensita obtida apresenta-se uniforme e homogênea, diminuindo os riscos de trincas. O banho a cerca de 350 ºC permite igualar a temperatura entre a superfície e o centro da peça com o aço ainda no campo austenítico. Prosseguindo o resfriamento obtém-se martensita com menor risco de trincas e distorções. Após a martêmpera é necessário submeter a peça a revenimento. Os exemplos de aços que podem ser utilizados na martêmpera: SAE/AISI 4130; 4140; 4150; 4340; 5140; 6150; 8640 e 52100. TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS - MARTÊMPERA MARTÊMPERA - Aço SAE4140 A martêmpera emprega banho de sal ou de óleo. O banho de sal apresenta algumas vantagens sobre o óleo, tais como: ➢ Maior estabilidade química; ➢ Opera em uma maior faixa de temperatura; ➢ Mas fácil limpeza(o sal é solúvel em agua). TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS - MARTÊMPERA ATIVIDADE ONLINE http://gg.gg/31-03 BIBLIOGRAFIA COSTA & SILVA, Aços e ligas especiais, São Paulo: Blücher, 2013. CALLISTER Jr, W.D., (2008) Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 7a ed. Rio de Janeiro. LTC Editora. 705 p. CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 7.ed. ampl. e rev. São Paulo: ABM - Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, 2012. COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. Revisão de André Luiz V. da Costa e Silva. 4.ed rev. e atual. São Paulo: Blücher, 2008, reimpr. 2012.
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