Tratamentos Térmicos dos Metais

Disciplina: Tecnologia dos MateriaisCarga Horária: 60h

Professora: Cléa AlbuquerqueAula 8

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Polimorfismo

• Polimorfismo - Fenômeno que alguns metais apresentam de possuírem mais de uma estrutura cristalina. Quando encontrado em sólidos elementares é chamado de Alotropia

Ex: Ferro

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� Ferro puro ao ser aquecido experimenta 2 alterações na sua estrutura cristalina:

1) À temperatura ambiente, a forma estável é o Feαααα com estrutura cristalina CCC

2) O Feαααα experimenta uma transformação polimórfica para Feγγγγ a 912ºC, com estrutura CFC

3) O Feγγγγ se transforma por volta de 1400ºC em Feδδδδ, com estrutura CCC, que se funde por volta de 1500ºC

Alotropia do Ferro

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Ferro α

� Da temperatura ambiente até 910º C – CCC

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Ferro γγγγ

� De 910º C até 1400º C – CFC

� Acima de 1400ºC - CCC (Ferro δ)

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Diagrama Ferro Carbono

Aço

Ferro

fundido

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Observações

� Eixo vertical esquerdo descreve todas as alterações que ocorrem com o ferro puro

� Eixo das composições varia de 0 a 6,7%p C (formação do carboneto de ferro ou cementita – Fe3C)

� Diagrama é dividido em 2 partes:1) 0 a 6,7% p C2) 6,7 a 100%p C� Por conveniência, o diagrama é conhecido como Fe- Fe3C

Logo, para 6,7%p C há 100% de Fe3C� Por convenção, o diagrama é conhecido como Fe-C.

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Observações

� O Carbono é uma impureza intersticial no ferro, formando uma solução sólida com o Feα (ferrita), com a Feγ (austenita) e Feδ(Ferrita), conforme indicado nos campos monofásicos

� A adição de C promove alterações nas temperaturas de transformações alotrópicas;

A Solubilidade do C no Fe varia com a temperatura:

� Na Feα, a solubilidade máxima do C é 0,022%p a 727ºC

� Na Fe γ , a solubilidade máxima do C é 2,14%p a 1147ºC

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Figura 1 - (a) Ferrita (b) Austenita.

(a) (b)

10Figura 2 – Sistema Fe-C

aa

b c

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Exemplo 1: Liga Eutetóide

� Resfriamento de uma Liga Eutetóide (0,76%p C) a partir de 800ºC –ponto “a” (Figura 8)

� Reação ao cruzar a isoterma a 727ºC:

Feγ (0,76%C) Feα (0,0022%C) + Fe3C(6,7%C)

� Feα + Fe3C = Perlita

resfriamento

aquecimento

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Figura 3 - Aço eutetóide. 1000x

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Exemplo 2: Liga Hipoeutetóide

� Resfriamento de uma Liga Hipoeutetóide (0,022 e 0,76%p C) a partir de 875ºC – ponto “b”

� A 775ºC coexistirão 2 fases (Feα + Feγ):

1) A quantidade de C aumenta mais para a fase Feγ2) A Feα se formará nos contornos de grão da Feγ

� Abaixo da isoterma, a 727ºC, a Feγ se transformará de acordo com a reação anterior, em perlita

1) Fase Feα que antes existia permanecerá sem qualquer alteração abaixo de 727ºC

2) A ferrita estará presente na perlita (ferrita eutetóide) e também como a fase que se formou quando se resfriava ao longo da região das fases Feα + Feγ(ferrita proeutetóide)

3) A ferrita aparecerá como a fase matriz ao redor das colônias de perlitaisoladas

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Figura 4 – Aço hipoeutetóide, com 0,5%C. 800x

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Exemplo 3: Liga Hipereutetóide

� Resfriamento de uma Liga Hipereutetóide (0,76 a 2%p C) a partir de 875ºC –ponto “c”

� A 775ºC coexistirão 2 fases (Feγ + Fe3C):

1) A quantidade de C diminui para a fase Feγ2) A Fe3C se formará nos contornos de grão da Feγ

� Abaixo da isoterma, a 727ºC, a Feγ se transformará de acordo com a reação anterior, em perlita

1) Fase Fe3C que antes existia permanecerá sem qualquer alteração abaixo de 727ºC

2) A cementita estará presente na perlita (cementita eutetóide) e também como a fase que se formou quando se resfriava ao longo da região das fases Feγ + Fe3C (cementita proeutetóide)

3) A cementita aparecerá como a fase matriz ao redor das colônias de perlitaisoladas

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Figura 5 – Aço hipereutetóide. 730x

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Tratamento Térmico

Definição: O processo de aquecer e resfriar um material visando modificar suas propriedades mecânicas;

É feito em 3 fases distintas:

� Aquecimento;� Manutenção da temperatura;� Resfriamento.

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Tipos de Tratamentos Térmicos

� Modificam as propriedades de todo o material: Recozimento, Têmpera e Revenido;

� Modificam somente uma fina camada superficial: Cementação e Nitretação;

Figura 6 – Ilustração esquemática dos tipos de tratamentos térmicos

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Recozimento

� Objetivo: Recuperar a textura de um material deformada por tratamentos térmicos ou mecânicos anteriormente submetidos;

� De que forma? Ao passar pela zona crítica, este se recristaliza sobre a forma de grãos normais de austenita, qualquer que seja a textura que apresente antes de atingir a referida zona no aquecimento;

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Transformações dentro da Zona Crítica

O resfriamento lento proporciona os mecanismos de difusão do carbono, favorecendo 2 transformações:

� Separação da ferrita e da cementita durante a travessia da zona crítica;

� Transformação da austenita remanescente com 0,8%pC em perlita lamelar ao ser atingida a linha inferior da zona crítica;

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Para ser bem feito, observar:

� Aquecimento: aquecer as peças uniformemente, para evitar distorções e trincamentos;

� Temperatura de recozimento: Depende do % de carbono, da ordem de 50ºC acima do limite superior da zona crítica;

� Tempo de Permanência: 20 minutos de permanência para cada cm de espessura da peça;

� Atmosfera do forno: diminuir o acesso de ar , em caso de atmosfera oxidante para evitar a formação de cascas de óxido e descarbonetaçãosuperficial;

� Resfriamento lento: deve ser tanto mais lento quanto maior for o teor de carbono (> 0,3%pC);

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Efeitos do Recozimento

� Elimina a dureza de uma peça temperada, laminada ou estirada a frio, a textura de uma peça de aço fundido (bruta de fusão ou com granulação grosseira), fazendo-a voltar a sua dureza normal;

� Torna o aço mais homogêneo;

� Melhora sua ductilidade;

� Torna-o mais facilmente usinável;

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Descuidos

� Aquecimento ou resfriamento desigual pode distorcer ou trincar as peças;

� O aquecimento deve ser feito dentro da faixa de temperatura recomendada, caso contrário será ineficiente, a não ser no caso de aços extra-doces encruados, cuja ductilidade pode ser restaurada a 600ºC;

� Aquecimento dentro da zona crítica conduz a texturas em que a perlitatoma um aspecto esboroado;

� Temperaturas excessivas ou longos tempos de permanência produzem uma granulação grosseira (superaquecimento);

� Aquecimento em meio oxidante, principalmente acima de 700ºC, pode causar descarbonetação superficial (mais pronunciado em aços ricos em carbono);

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Normalização

� É o recozimento com resfriamento ao ar e os aços assim tratados, são ditos normalizados;

� No estado normalizado, a dureza, bem como os limites de escoamento e de resistência à tração são um pouco mais elevados que no estado recozido, isso porque obtem-se uma granulação mais fina

� A causa para isto é que não ocorre completamente a separação da ferritae da cementita dentro da zona crítica; a austenita transforma-se então em uma perlita lamelar muito fina, com mais ferrita e cementita que a proporção normal;

� A faixa de temperatura adequada está acima da adequada ao recozimento, uma vez que com este tratamento se busca uma maior homogeneização da austenita, para que a granulação seja mais uniforme (ver Figura 7)

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Normalização

Figura 7 – Temperaturas mais adequadas à normalização, recozimento e têmpera em função do teor de carbono do aço ao carbono

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Influência do Resfriamento Rápido

� A quantidade de ferrita ou de cementita separadas inicialmente diminui com o aumento da velocidade de resfriamento, até um ponto em que se anulam, de forma que o aço atinge a linha inferior da zona crítica ainda inteiramente austenítico;

� A austenita abaixo dessa linha se transforma em perlita de lamelas cada vez mais finas e mais próximas, chegando ao ponto de se tornarem indiscerníveis ao microscópico;

� Para velocidades de resfriamento ainda maiores, a austenita não se transforma em perlita, mas a temperaturas mais baixas em um constituinte denominado “martensita”, considerada como sendo uma solução sólida supersaturada de carbono no ferro α com uma estrutura tetragonal de corpo centrado;

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Figura 8 – Ilustração esquemática da microestrutura de um aço em função da velocidade de resfriamento após austenitização.

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Avaliação das Microestruturas

� Diagramas TTT - (Transformação tempo-temperatura) estabelecem a temperatura e o tempo em que ocorre uma determinada transformação. Só tem validade para transformações a temperatura constante;

� Diagramas TRC (Transformação sob resfriamento contínuo) – evolução da microestrutura em função do tempo e temperatura de transformação

Os tratamentos térmicos comuns não são tratamentos isotérmicos, uma vez que envolvem um resfriamento contínuo, com maior ou menor velocidade, desde a temperatura de austenitização até a temperatura ambiente.

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Diagramas TTT

γγγγ

αααα+Fe3C

↓↓↓↓Perlita

Temperatura de

austenitização

Martensita

Figura 8 – Diagrama de transformação isotérmica

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Diagramas TRC

Figura 9 – Ilustração esquemática de um diagrama TRC que resulta na formação de uma microestrutura (A) martensítica.(B) ferritico-perlítica

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Têmpera

� Tratamento aplicado aos aços com quantidade de carbono igual ou superior a 0,4%, visando a formação da martensita;

� Fases da tempera:

� Aquecimento: A peça é aquecida em forno até uma temperatura recomendada para obter uma estrutura austenítica(ver Figura 7);

� Manutenção da temperatura: Deve ser mantida a temperatura por algum tempo a fim de uniformizar o aquecimento;

� Resfriamento: A peça temperada pode ser resfriada rapidamente em água, óleo ou sais fundidos.

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Meios de Têmpera

� Quanto maior a severidade de têmpera, mais rápido é o refriamento, entretanto o risco de distorções e trincamentos é maior;

5,0Salmoura fortemente agitada

2,0Salmoura sem agitação

1,5Água fortemente agitada

1,0Água sem agitação

0,7Óleo violentamente agitado

0,5Óleo moderadamente agitado

0,2Óleo sem agitação

Severidade de Têmpera (H)

Meio de Têmpera

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Efeitos da têmpera

� Aumento considerável da dureza do aço;

� Aumento da fragilidade;

� O aço torna-se muito quebradiço;

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Revenimento

� Tratamento que se faz nos aços já temperados, para diminuir a sua fragilidade;

� As temperaturas de revenimento para os aços ao carbono variam de 210 a 320oC;

� Fases do Revenimento:

� Aquecimento: Produz uma coloração que varia com a temperatura. Essas cores identificam a temperatura de revenimento;

� Manutenção da temperatura: Uniformizar o aquecimento;� Resfriamento: Pode ser lento ou rápido (água ou óleo).

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Cores do Revenido

Amarelo claro 210oCCastanho avermelhado

270oC

Amarelo palha 220oC Violeta 280oC

Amarelo 230oC Azul escuro 290oC

Amarelo escuro 240oC Azul marinho 300oC

Amarelo ouro 250oC Azul claro 310oC

Castanho claro 260oCAzul acinzentado

320oC

� No caso dos aços carbono, pode-se avaliar a temperatura em que o revenimento foi feito pela coloração atingida que permanece após o resfriamento;

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Efeitos do Revenimento

� A têmpera modifica profundamente as propriedades dos aços, algumas delas tomam valores altos como a dureza e a resistência à tração; Por outro lado a resistência ao impacto e o alongamento caem a valores muito baixos, além de ficar com tensões internas apreciáveis;

� O revenido corrige esses inconvenientes restituindo ao aço as propriedades perdidas, sem afetar as propriedades obtidas com a têmpera

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Cementação

� Muitas peças precisam ter elevada dureza externa para resistirem ao desgaste, permanecendo "moles“ internamente, caso dos dentes de engrenagem, matrizes para estampagem, pinos móveis, eixos, articulações, etc;

� Essas peças são usinadas em aço de baixa teor de carbono;

� A cementação é um tratamento que consiste em aumentar a porcentagem de carbono em uma fina camada externa;

� As partes externas adquirem elevada dureza enquanto as partes internas permanecem sem alterações;

� É feita aquecendo-se a peça de aço de baixo teor de carbono, junto com um material rico em carbono (carburante). Quando a peça atinge alta temperatura 750 a 1.000oC passa a absorver o carbono do carburante;

� Quanto mais tempo a peça permanecer aquecida com o carburante, mais espessa se tornará a camada.

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Fases da Cementação

� Aquecimento:

� Cementação em caixa: As peças são colocadas em caixas com o carburante, fechadas e aquecidas até a temperatura recomendada;

� Cementação em banho: As peças são mergulhadas no carburante líquido aquecido, através de cestas ou ganchos.

� Manutenção da temperatura: Varia com a espessura da camada que se deseja e a qualidade do carburante (0,1 mm a 0,2 mm/h);

� Resfriamento: A peça é esfriada lentamente dentro da própria caixa;

� Após a cementação as peças são temperadas.

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Figura 10 – Penetração da cementação em função do tempo

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Nitretação

� Processos semelhantes à cementação, cujo aquecimento se dá entre 500 e 550oC na presença de amônia;

� Obtém-se uma fina camada, extremamente dura, não havendo necessidade de se temperar a peça;

� A Nitretação forma uma camada muito fina (0,5 mm após 40 h) e de transição brusca para o material;

� Na cementação pelo carbono, essa transição é mais gradativa;