Temperabilidade e elementos de liga

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Aluno: Felipe Augusto 17204896 
Processamento de materiais metálicos. 
Quais são os principais elementos de liga utilizados nos aços? Quais são seus efeitos? Defina o que 
é temperabilidade e qual sua importância no tratamento térmico. Qual a relação do processo de 
soldagem para com a temperabilidade e sua relação com o tratamento térmico? 
Existe uma gama de constituintes muito ampla quando se refere à elementos de liga na fabricação 
de aços. Com o propósito de adquirir vários comportamentos diferentes, cada elemento de liga adicionado, 
em uma porcentagem especifica à composição microestrutural do aço, irá conduzir como o material 
reagirá quando sofrer um esforço causado por tensões e oxidação, por exemplo. A presença de 
elementos de liga muda as linhas do diagrama de fase Fe-C. Alguns elementos de liga atuam 
como estabilizadores da austenita e outros da ferrita aumentando sua resistência mecânica, sua dureza, 
sua maleabilidade e sua resistência à corrosão. Os elementos de liga afetam não somente a parte 
isotérmica dos diagramas de transformação, como também a reação de formação da martensita. 
Os principais elementos a serem destacados são: Cromo, níquel, molibdênio, vanádio, manganês, cobalto, 
titânio, tungstênio, silício. Novos estudos indicam que o Nióbio foi acrescentado a essa lista, pois ao ser 
adicionado uma quantidade em torno de 0.03% na composição de um aço-carbono comum, este conferiu 
cerca de 20 a 30% a mais de resistência mecânica. Valor este que seria correspondente ao que seria obtido 
com a adição de 1% de manganês. 
Em relação a dureza, temos alguns comportamentos específicos de cada elemento adicionado, 
como é descrito pelo gráfico abaixo: 
 
Figura 1. Ação relativa de alguns elementos de liga adicionados em porcentagens que se dissolvem na 
ferrita, no sentido de aumentar a sua dureza. 
Citando especificamente o que cada elemento realiza quando adicionado à composição, temos: 
• Cromo: Forma carbonetos estáveis, acaba acelerando o crescimento dos grãos, aumenta 
a resistência à corrosão e oxidação, aumenta a endurecibilidade (temperabilidade), 
melhora a resistência a altas temperaturas e melhora a resistência ao desgaste. 
• Cobalto: Forma carbonetos fracos, aumenta a dureza, aumenta a resistência a tração, a 
resistência à corrosão e à erosão. 
• Silício: Auxilia na desoxidação, auxilia na grafitização, aumenta a fluidez, aumenta a 
resistência a oxidação em temperaturas elevadas, melhora a temperabilidade e a 
resistência a tração. 
• Tungstênio: Forma carbonetos estáveis e muito duros, provoca o aumento da dureza do 
material e o aumento da resistência a altas temperaturas. 
• Titânio: Forma carbonetos estáveis, aumento da dureza, provoca a diminuição das 
corrosões intergranulares nos aços inoxidáveis. 
• Vanádio: Inibe o crescimento dos grãos, forma carbonetos, melhora a resistência 
mecânica, melhora a tenacidade, melhora a temperabilidade e melhora a resistência a 
fadiga e a abrasão. 
• Molibdênio: Influencia na estabilização do carboneto, melhora a resistência a corrosão 
por pites, aumenta a resistência a tração, aumenta a temperabilidade. 
• Manganês: Estabiliza os carbonetos, Ajuda a criar microestrutura dura por meio de 
têmpera, diminui a velocidade de resfriamento, aumenta a resistência mecânica, 
temperabilidade e a resistência ao choque. 
A adição de elementos de liga na composição dos aços, em sua maioria, faz com que estes 
elementos formem carbonetos na microestrutura do material. Estes carbonetos podem ser 
estáveis, como no caso do tungstênio, ou podem ser instáveis como no caso do cobalto. A 
principal característica na formação destes compostos é o endurecimento do material, por conta 
de sua estrutura, em sua grande maioria, ser complexa e muito compacta. No caso dos aços 
inoxidáveis, há a ocorrência da corrosão intergranular. A corrosão intergranular em aços 
inoxidáveis tem origem na precipitação de carbonetos de cromo e também nitretos de cromo que 
ocorrem nas regiões de contornos de grão na microestrutura do aço. Um modo de coibir este fato 
negativo é adicionando titânio na composição do aço inox, que agirá como um elemento 
estabilizante e evitará que este tipo de corrosão aconteça. Além dos carbonetos, a adição de 
elementos de liga desloca a curva TTT para a direita, com exceção do cobalto, que desloca a curva 
para a esquerda. Isto acontece pelo fato de praticamente todos os elementos de liga se dissolverem 
na austenita, isto é, quando o aço se encontra a temperaturas em que é constituído unicamente de 
austenita, os seus elementos de liga se encontram inteiramente dissolvidos no ferro gama. Os 
elementos de liga apresentam, entretanto, tendência diversa quando, no esfriamento, se acham na 
zona crítica; em outras palavras, há elementos que tendem a ficar dissolvidos no ferro sob a forma 
alotrópica alfa e há outros elementos que tendem a formar carbonetos da mesma maneira que o 
ferro. Como é possível observar nos diagramas abaixo, realmente os elementos de liga deslocam 
a curva para a direita, como no exemplo do SAE 4140. A esquerda, temos o diagrama TTT de um 
aço euteóide, sem adição de elementos de liga para servir de comparação. 
 
Figura 2. Diagrama TTT de um aço eutetóide Figura 3. Diagrama TTT de um aço inoxidável 
A temperabilidade é um termo utilizado para descrever a habilidade que uma liga possui 
de ser endurecida pela formação de martensita. A martensita é descrita como uma fase fora de 
equilíbrio, não aparecendo no diagrama de fases ferro-carbono. É uma solução sólida 
supersaturada de carbono que não se forma por difusão e que todo o carbono permanece 
intersticial, podendo transformar-se em outras estruturas por difusão, quando aquecida. Uma liga 
de alta temperabilidade forma martensita não apenas na sua superfície, mas em grande 
porcentagem também em todo o seu interior. Enquanto a dureza da superfície depende do teor de 
carbono e da taxa de resfriamento, a profundidade, na qual um certo nível de dureza é mantido 
para uma dada condição de resfriamento, é função da sua temperabilidade. A formação da 
martensita depende da composição química e da microestrutura da austenita para transformação 
fora das condições de equilíbrio termodinâmico, que estão relacionadas à taxa de resfriamento. 
Tais taxas são descritas pelo diagrama TTT que estabelece relações entre a temperatura em que 
ocorre a transformação da austenita e a estrutura e propriedades das fases produzidas com o 
tempo. Portanto, um aço com alta temperabilidade é capaz de formar martensita em seções mais 
profundas, próximas ao núcleo do material, estando diretamente relacionado com taxas de 
resfriamento mais baixas. A composição dirá, no diagrama TTT, qual a taxa de resfriamento 
necessária para a formação da estrutura desejada, se irá ocorrer de forma lenta, média ou de forma 
rápida. No caso da martensita, a velocidade de resfriamento será alta, uma vez que os átomos de 
carbono não podem fazer uma fuga ordenada da estrutura do ferro, devida alta taxa de 
resfriamento. Isto provoca uma distorção da estrutura que se manifesta na forma de dureza. 
A importância da temperabilidade está diretamente ligada aos processos de fabricação 
dos aços em geral visto que, dada uma determinada temperatura e composição, há a definição de 
qual tratamento térmico será melhor para cada tipo de peça. 
A soldabilidade consiste na união de dois materiais por meio da fusão de ambos. Alguns 
fatores contribuem para que esse processo ocorra facilmente ou necessite de preparamento prévio. 
A temperabilidade do material é um dificultador para a soldagem, visto que quanto mais 
temperável um material for, maior propensão a ser um formador de martensita, no caso dos aços, 
em sua estrutura. A martensita por sua vez, dificulta ainda mais o processo de soldagem.Para que 
ocorra a fusão, é necessário que o sistema em questão tenha energia em forma de calor para que 
a transformação de fase ocorra. No momento do aquecimento, a zona termicamente afetada (ZTA) 
recebe um tratamento térmico parecido com a Têmpera, onde há o resfriamento brusco da peça 
para o endurecimento, já que a peça se encontra em temperatura ambiente e a zona soldada muito 
acima desta. O material com altos níveis de carbono e com altos níveis martensíticos quando é 
submetido a soldagem sofre, após o resfriamento, a ocorrência de trincas que aparecem justamente 
pela microestrutura estar muito distorcida, o que aumenta a dureza. Para minimizar essas trincas 
a frio, que são mais comuns em aços mais duros ou concentradores de elementos de liga, há o 
preparo da peça feito por um pré-aquecimento que consiste em elevar a temperatura de acordo 
com o percentual de carbono presente na estrutura em questão. Esta elevação diminui o gradiente 
de temperatura entre o restante da peça e o local soldado diminuindo assim, o risco da formação 
de martensita. Um método simples para determinar a necessidade de pré-aquecimento de uma 
solda é o do carbono equivalente (Ceq). Quanto maior for o carbono equivalente, maior será a 
temperatura de pré-aquecimento. Alguns fatores impactam nesta elevação de temperatura anterior 
à soldagem, entre eles estão: Se a peça possuir altos teores de elementos de liga e de carbono, 
sendo influenciada também pelo tamanho da peça, pela velocidade da soldagem e pelo diâmetro 
do eletrodo. Outros fatores importantes para se determinar a temperatura de pré-aquecimento são 
a espessura e o tamanho do componente. A temperatura pré-soldagem aumenta com o tamanho e 
a espessura do componente. Para o cálculo do carbono equivalente determina-se o teor 
aproximado de outros elementos de liga que produzem a mesma dureza que 1% de carbono. Então 
o carbono equivalente (Ceq), que é uma indicação da temperabilidade, pode ser calculado por: 
𝐶𝑒𝑞 = %𝐶
%𝑀𝑛
6
+
%𝑁𝑖
15
+ 
%𝑀𝑜
4
+
%𝐶𝑟
5
+
%𝐶𝑢
13
 
Os níveis de carbono equivalente e suas respectivas temperaturas podem ser vistas na 
figura 4, como mostra a seguir: 
 
Figura 4- Temperatura de pré-aquecimento recomendada x Ceq 
 Como dito anteriormente, quanto maior for o valor do Ceq, maior a temperatura pré-
soldagem e isto fica visível ao entendermos que a quantidade de carbono propenso a ser formador 
de martensita (temperabilidade), tem influência direta no processo de soldagem. 
 A influência do tratamento térmico sobre uma peça que será soldada deve ser levada em 
consideração. O processo térmico no qual a peça será submetida fará com que ela adquira novas 
propriedades mecânicas e estruturais, o que se leva em consideração no processo de soldagem. 
Por exemplo, um material cujo percentual de carbono é alto, na faixa dos 0,4%. Este material 
sendo submetido à uma têmpera para o endurecimento, com resfriamento rápido, tende a ser um 
alto formador de martensita. A martensita, como visto anteriormente, afeta diretamente o processo 
de soldagem, necessitando que a peça seja pré-aquecida para diminuir o gradiente de temperatura 
entre a região soldada e o resto da peça constituinte. Portanto, os tratamentos térmicos prévios à 
soldagem tem suma importância no resultado final pós-soldagem.