Conteúdo
Solidificação do ferro e transformações de líquido para o estado sólido; Diagrama Fe-C; microestruturas da liga Fe-C (perlita, ledeburita, etc.); Influência genérica dos elementos de liga sobre o diagrama Fe-C; Ligas ferrosas com campo predominante gamagênico crescente;
Diagramas Tempo Temperatura Transformação (TTT) e de transformação com resfriamento contínuo (TRC);
Técnicas de levantamento de diagramas;
Influência dos elementos de liga e tamanho de grão sobre os digramas TRC; Elementos formadores de carbonetos e nitretos;
Temperabilidade (definição e métodos utilizados para avaliar a temperabilidade), Classificação dos métodos de tratamentos térmicos.
Objetivo
Entender os mecanismos de transformações de fases do Sistema Fe-C.
Conhecer e aplicar tecnologicamente os fatores de influência sobre as propriedades das ligas Fe-C.
Interpretar os diagramas de transformações fase para a correta especificação dos tratamentos térmicos dos aços
Conhecer os fenômenos que interferem negativamente na aplicação dos aços.
Solidificação dos aços
Após a etapa de refino, o aço está pronto para ser “vazado” e solidificado. A solidificação ocorre por nucleação e crescimento. Esta etapa de solidificação chama-se lingotamento, o qual pode ser convencional ou contínuo.
No lingotamento convencional, moldes metálicos, lingoteiras, feitos normalmente de ferro fundido, são utilizados na solidificação do aço que após completamente solidificado recebe o nome de lingote.
No lingotamento contínuo, o aço líquido é vazado em um grande reservatório chamado distribuidor. Do distribuidor, o aço líquido segue por dois moldes metálicos de cobre na forma de tubos que são refrigerados com água.
Quando saem destes moldes, o aço já solidificado recebe “sprays” de água para completar o resfriamento. Durante o resfriamento, o aço é cortado com dimensões padronizadas por tesouras, recebendo o nome de tarugo.
Tanto o lingote quanto o tarugo são, então, levados para a etapa de laminação, onde serão transformados em uma série de produtos, tais como barras, perfis, chapas, fio máquina entre outros.
O aço líquido é homogêneo, mas durante a solidificação surgem defeitos que tornam o material sólido heterogêneo.
Alguns defeitos são eliminados durante a fabricação do produto final (acabado) outros defeitos são tornam-se até mais evidentes no produto final.
Defeitos de solidificação
Alguns defeitos são removíveis com tratamento térmicos e ou termomecânicos, outros podem persistir e até evidenciarem-se no produto final.
Os defeitos comuns devidos à solidificação após fabricação:
Gotas frias, pequenas gotas respingam contra as paredes da lingoteira, resfriando-se e oxidando-se, quando presas a parede não aderem muito bem ao lingote;
Inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça. Isso causa problemas de usinagem: os grãos de areia são abrasivos e, por isso, estragam a ferramenta. Além disso, causam defeitos na superfície da peça usinada.
Defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material. Isso também causa desgaste da ferramenta de usinagem. Bolhas, vazios oriundos de gases dissolvidos no líquido e que ficaram retidos no lingote fundido. Para se evitar as bolhas utilizam-se, desoxidantes.
Trincas, ocasionadas pelas tensões excessivas que se desenvolvem durante o resfriamento ou ainda devido ao formato desigual das peças, impedindo o resfriamento uniforme.
Segregação, ao solidificar um metal, as impurezas como: fósforo e enxofre, não são tão solúveis no estado sólido como no líquido, portanto são segregadas para o líquido quando a solidificação se propaga. A solidificação caminha da periferia para o centro, portanto é no centro que as impurezas se acumulam, esse fenômeno é denominado segregação.
Rechupe, a solidificação de um metal se inicia pelas partes que estão em contato com as paredes do molde ou na parte superior, onde o metal está exposto ao ar. O metal ao passar
do estado líquido para o sólido diminui seu volume, portanto aparecerá uma região central no lingote ou peça que se chama rechupe.
Diagrama Fe-C e microestruturas típicas
Os Aços e Ferros Fundidos são ligas fundamentalmente compostas por Ferro e Carbono, a figura 01 mostra a alotropia do Ferro puro.
Figura 01- Formas alotrópicas do Ferro Puro
A Figura 02 mostra o diagrama Fe-C, na qual pode-se visualizar as fase presentes para as composições químicas das ligas que caracterizam os aços e os ferros fundidos na temperatura ambiente até as temperaturas de fusão, e ainda, observar as reações peritética a 1493º C, a reação eutética a 1147º C e a reação eutetóide a 727º C.
Os aços são ligas Fe-C com teores de até 2,14% de Carbono e os ferros fundidos com teores acima de 2,14% de C.
As fases típicas do diagrama Fe-C são:
AUSTENITA (do nome do metalurgista inglês Robert Austen) - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 2,14%) no ferro CFC. Em aços ao carbono e aços baixa liga só é estável acima de 727°C. Apresenta resistência mecânica em torno de 150 MPa e elevada ductilidade e tenacidade. A austenita não é magnética.
FERRITA (do latim "ferrum") - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 0,022%) no ferro CCC. A Ferrita é magnética e apresenta baixa resistência mecânica, cerca de 300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade.
CEMENTITA (do latim "caementum") - Denominação do carboneto de ferro Fe3C contendo
6,7% de C e estrutura cristalina ortorrômbica. Apresenta elevada dureza, baixa resistência, baixa ductilidade e baixa tenacidade.
PERLITA (nome derivado da estrutura da madre pérola observada ao microscópio) Consiste na mistura mecânica das fases ferrita (88% em peso) e cementita (12% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases. Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendo do tamanho e espaçamento das lamelas de cementita.
A Tabela 01 mostra as propriedades das fases do diagrama Fe-C para os aços Tabela 01 - Propriedades das fases do diagrama Fe-C para os aços
Nas composições dos aços encontra-se a reação eutetóide, o que permite classifica-los como: Aços hipoeutetóides, Carbono inferior a 0,77%;
Aço eutetóide com 0,77% de C;
Aços hipereutetóides, Carbono superior a 0,77% até 2,14%.
Na Figura 03, pode-se observar a micrografia da Ferrita ampliada 90x em (a) e a Austenita ampliada 325x.
[Callister, 2002]
A Figura 04 ilustra a transformação da Austenita em Perlita, formam-se os primeiros núcleos de Ferrita, a qual não solubiliza mais do que 0,022% de Carbono, o Carbono então é segregado, e quando atinge a percentagem igual a 6,7% de Carbono (em peso), formam-se as lamelas de Cementita.
[Callister, 2002]
Figura 04 – Ilustração esquemática da transformação da Austenita em Perlita
A Figura 05 demonstra a transformação de um aço hipoeutetóide durante sua solidificação, em regime de equilíbrio, ou seja, a velocidade de resfriamento não interfere nas transformações das fases resultantes.
[Callister, 2002]
A Figura 06 mostra a micrografia de um aço hipoeutetóide com 0,38% de C.
[Callister, 2002]
Figura 06 - Micrografia de um aço hipoeutetóide com 0,38% de C
A Figura 07 demonstra a transformação de um aço Eutetóide durante sua solidificação, em regime de equilíbrio.
[Callister, 2002]
Figura 07 - Transformação de um aço Eutetóide durante sua solidificação
A Figura 08 mostra a micrografia de um aço Eutetóide com 0,76% C.
[Callister, 2002]
A Figura 09 demonstra a transformação de um aço Hipereutetóide durante sua solidificação, em regime de equilíbrio.
[Callister, 2002]
Figura 09 - Transformação de um aço Hipereutetóide durante sua solidificação.
A Figura 10 mostra a micrografia de um aço hipereutetóide com 1,4% C ampliada 1000x.
[Callister, 2002] Figura 10 - Micrografia de um aço hipereutetóide com 1,4% C
O diagrama Fe-C também ilustram as transformações de fases das ligas designadas, Ferros Fundidos, no eutético do diagrama tem-se a Ledeburita, mistura eutética de Austenita e Cementita, para o ferro fundido com 95,7% Fe e 4,3% C, abaixo da temperatura de austenitização (727ºC), a
Austenita transforma-se em Perlita. Os Ferros Fundidos podem se classificarem em Hipoeutéticos, Eutético e Hipereutético designados Ferros Fundidos Brancos e com aplicações tecnológicas limitadas, a figura 11 mostra uma micrografia de um Ferro Fundido Branco Eutético tendo como estrutura a Ledeburita (glóbulos de perlita c/ fundo de cementita).
Figura 11 – Ferro Fundido Branco Eutético
A Figura 12 mostra a estrutura de um Ferro Fundido Branco hipoeutético, com a perlita envolvida pela ledeburita.
Figura 12 – Ferro Fundido Branco Hipoeutético
A Figura 13 mostra a estrutura de um Ferro Fundido Branco hipereutético, com cristais de cementita envolvida pela ledeburita.
A obtenção dos ferros fundidos com uma ampla gama de aplicações tecnológicas exige a adição de elementos de ligas específicos os quais não são representados no diagrama Fe-C apresentado, pode-se exemplificar a adição do Silício, elemento grafitizante, na formação do Ferro Fundido Cinzento, a figura 14 mostra a estrutura de um ferro fundido cinzento.
Figura 14 - Estrutura de um ferro fundido cinzento.
O Ferro Fundido Cinzento apresenta a grafita em forma de veios, classificados segundo a ASTM em: A irregular desorientada, B em roseta, C desigual irregular, D interdendrítica desorientada e E interdendrítica orientada, de maneira geral é frágil sob tensão de tração, apresenta boa resistência sob compressão, ao desgaste e excelente capacidade absorção de vibrações.
Para diminuir a fragilidade do Ferro Fundido Cinzento, adiciona-se o magnésio (Mg) ou o cério (Ce) elementos nodulorizantes da grafita, obtendo-se assim o Ferro Fundido Nodular, com uma matriz perlitica, mais dúctil e a grafita nodular, a figura 15 mostra uma estrutura de um Ferro Fundido Nodular
A influência dos elementos de ligas sobre o Diagrama Fe-C.
Efeito sobre a Temperatura Eutetoide.
Os elementos Ti, Mo, Si, W e Cr aumentam a Temperatura Eutetóide e são estabilizadores da ferrita, assim são chamados alfagênios.
Os elementos Ni e Mn baixa a Temperatura Eutetóide, são estabilizadores da austenita e chamados de gamagêneos, a figura 16 ilustra o efeito dos elementos de ligas sobre a Temperatura Eutetóide, os efeitos são mostrados na figura 16.
Figura 16 - Efeito dos elementos de ligas sobre a Temperatura Eutetóide.
Efeito sobre a Composiçao Eutetoide.
Os elementos de ligas influenciam também a composição do ponto Eutetóide do diagrama Fe-C, conforme pode-se observar na figura 17.
Figura 17 – Efeito dos Elementos de ligas sobre a composição Eutetóide do diagrama Fe-C.
Os efeitos dos elementos, principalmente dos gamagêneos, permitem estabilizar a Austenita em baixas temperaturas, possibilitando a obtenção dos aços Austeniticos, com uma ampla aplicação em tecnologia.
Diagramas Tempo Temperatura Transformação (TTT)
A Figura 1.18, mostra a relação do diagrama Fe-C com os diagramas TTT de um aço eutetóide e um hipoeutetóide.
Figura 1.18 - Relação do diagrama Fe-C com os diagramas TTT de um aço eutetóide em (b) e um hipoeutetóide em (c)
Os Diagramas TTT e TRC apresentam as estruturas resultantes das transformações de fases levando em consideração o efeito da cinética dessas transformações e são de fundamental importância para o entendimento e especificação dos tratamentos térmicos dos aços.
A temperatura desempenha um papel importante na taxa da transformação da Austenita em Perlita. A dependência em relação à temperatura para um aço Eutetóide (0,76% C) está indicada na figura 19.
Lembrando-se que a temperatura eutetóide de 727º C do diagrama de equilíbrio Fe-C, ponto de equilíbrio da Austenita e Perlita está acima das temperaturas indicadas na figura 19, o que permite concluir que quanto maior for o superesfriamento (T) mais rápida acontece a transformação da Austenita em Perlita, curva vermelha T = 127ºC, curva azul T = 77ºC e a curva
verde T = 52ºC.
Figura 19 – Dependência da Transformação Austenita/ Perlita em relação à temperatura para um aço Eutetóide (0,76% C)
Entre as técnicas de levantamento de diagramas TTT, está a técnica de plotagem dos resultados das transformações de várias isotérmicas para o diagrama TTT, conforme ilustrado na figura 20 para a isotérmica a 675ºC.
Figura 20 – Plotagem do resultado da isoterma 675ºC para o diagrama TTT de um aço eutetóide.
Os Diagramas TTT preveem a transformação da austenita em outras estruturas, como perlita, ferrita, bainita e martensita, um exemplo dessa curva pode ser visto na Figura 21 diagrama TTT para um aço Eutetóide, onde pode-se observar que acima do cotovelo da curva ocorre formação de perlita, uma transformação controlada pela baixa nucleação, abaixo do cotovelo da curva a austenita transforma-se em bainita, cuja transformação é controlada pela baixa difusão atômica. Quando o resfriamento for rápido suficiente para não tocar a curva a Austenita transforma- se em Martensita, transformação sem ocorrer difusão atômica.
A transformação Martensítica é muito importante para o entendimento do tratamento térmico de Têmpera dos aços e ela pode ser descrita por três deformações básicas: Distorção de Bain, Cisalhamento e Rotação.
a) Distorção de Bain – Forma o reticulado da martensita a partir do reticulado da fase matriz, mas em geral, não produz um plano não distorcido que possa ser associado ao plano de hábito da deformação, a distorção de Bain é ilustrada na figura 22.
b) Deformação por cisalhamento – Mantém a simetria do reticulado, não alterado a estrutura do cristal e em combinação com a distorção de Bain produz um plano não distorcido.
c) Rotação do reticulado transformado – Rotação que ocorre de modo que o plano não distorcido tenha a mesma orientação espacial nos cristais da fase matriz (Austenita) e a fase Martensitica, demonstrado na figura 23, na qual se pode verificar que os planos representados por A’C’ e B’D’ são comuns as duas fases, Austenita/Martensita.
Figura 22 – Ilustração da Distorção de Bain, transformação de uma rede cúbica de face centrada para uma rede cúbica de corpo centrado, o sistema tetragonal de corpo centrado (B) se transforma em um sistema cúbico de corpo centrado (C) por uma contração do eixo Z e uma expansão dos eixos X e Y.
Figura 23 – Demonstração da distorção por rotação, o sistema CFC simbolizado antes da distorção de Bain pela esfera (e) e, após a distorção, pela elipse (h).
Transformação com Resfriamento Contínuo (TRC)
Para o resfriamento contínuo, o tempo necessário para o início e de fim uma reação uma reação sofre um atraso. Assim, as curvas isotérmicas são deslocadas para tempos mais longos e temperaturas mais baixas, tal como indicado na Figura 24 para uma liga de ferro-carbono de composição eutetóide.
Na prática os processos tecnológicos quase sempre são realizados com resfriamento continuo logo as especificações e os efeitos dos tratamentos térmicos serão mais precisos se elaborados nos diagramas TRC, a figura 25 ilustra curvas de resfriamentos em diagramas TRC para o aço Eutetóide e a figura 25 e para um aço ABNT 4340 na figura 26
Figura 25 - Curvas de resfriamentos em diagramas TRC para o aço Eutetóide
Influência dos elementos de liga sobre os aços.
Os elementos de liga não alteram apenas as fases ou constituintes presentes nos diagramas de equilíbrio, mas também na maneira e velocidade com que estas fases se formam e nas suas características e propriedades.
Como já foi visto anteriormente os elementos de ligas podem ser estabilizadores da Austenita, os gamagêneos, ou também estabilizadores da Ferrita os alfagêneos.
A influência dos elementos de ligas nos aços não endurecidos, aços resfriados lentamente, podem apresentar-se nas seguintes formas:
Dissolvidos na ferrita Formando carbonetos
Em inclusões não metálicas (óxidos, sulfetos, entre outros) Em compostos intermetálicos
No estado elementar.
A Tabela 02 apresenta a tendência dos elementos de ligas nos aços.
Tabela 02 - Tendência dos elementos de ligas nos aços
Pode-se, ainda, citar os elementos substitucionais formadores de nitretos nos aços como o Cr, Al, V, Mo e Ti.
Temperabilidade (Hardennability)
O Conceito de temperabilidade é associado à capacidade de endurecimento de um aço durante o Resfriamento rápido, Têmpera, ou seja, sua capacidade de formar Martensita a uma profundidade em uma peça.
Os métodos utilizados para avaliar a temperabilidade são: Taxa de resfriamento crítico
Ensaio Grosmann Ensaio Jominy
Taxa de resfriamento, menor taxa que pode ser utilizada para que toda a estrutura obtida ainda seja a Martensita.
Ensaio Grosmann, consiste em resfriar, a partir do estado Austenitico, uma série de, de diâmetros crescentes, em condições controladas de resfriamento. As barras são serradas e mede-se a dureza do centro das mesmas. Coloca-se então, em um gráfico, a dureza do centro das barras versus o diâmetro das mesmas, figura 27. O aço com maior temberabilidade será aquele com maior maior diâmetro crítico. Diâmetro da inflexão do gráfico.
Ensaio Jominy, utiliza-se apenas uma barra com 1” de diâmetro e 4”de comprimento, esta barra é Austenitizada e em seguida resfriada em condições padronizadas em sua extremidade, determinando-se a curva representada na figura 28.
Figura 28 – Gráfico do saio Jominy de Temperabilidade
Fatores que afetam a Temperabilidade
Elementos de liga dissolvidos na Austenita (exceto o Cobalto) Granulação grosseira da Austenita
Homogeneidade da austenita.
Dentre os elementos que interferem na temperabilidade, o Carbono merece uma atenção especial nos processos de têmpera.
1) O carbono interfere na tetragonalidade da martensita e nos parâmetros dos reticulados da austenita, como pode ser observado na figura 29.
Figura 29 – Variação dos parâmetros reticulados da Austenita e Martensita em função da %C. 2) O Carbono interfere nas temperaturas de inicio e fim da transformação Martensitica conforme apresenta a figura 30.
3) O efeito do carbono na dureza das fases dos aços e principalmente da martensita e mostrado na Figura 31.
Figura 31 – A dureza da Martensita de um aço em função do % C
4) O carbono também interfere na formação da Martensita, que pode ter uma Martensita em forma de ripa, para baixos teores de Carbono ou Martensita lenticular para alta percentagem do carbono, pode ainda, influir na percentagem de Austenita retida no processo, como pode-se observar na figura 32.
Figura 32 – Efeito da concentração de Carbono na fração relativa da Martensida em ripa e a Austenita retida.
Principais tratamentos térmicos dos Aços:
Têmpera: consiste no aquecimento de uma peça até a sua completa austenitização, seguido de seu resfriamento a uma velocidade suficientemente rápida para causar a formação de martensita. Isto é usualmente conseguido por imersão em banho de salmoura, água ou óleo. Devido à maior inércia para a transformação dos aços mais ligados, estes são mais facilmente temperáveis. Assim, por exemplo, enquanto peças "espessas" de aço inoxidável martensítico (com 12%Cr) são temperadas até o centro (onde a velocidade de resfriamento é menor) com resfriamento ao ar, peças de mesma dimensão de aço carbono (por exemplo, SAE 1045) podem não ser temperadas no centro por resfriamento em água. A têmpera pode causar um aumento significativo na dureza e resistência dos aços, particularmente daqueles com maior teor de carbono. Este aumento de resistência é, contudo, acompanhado por uma perda proporcional de ductilidade.
Na Têmpera deve-se ter o cuidado para evitar defeitos durante o processo, principalmente trincas que podem ser associadas a contração, expansão associada com a transformação Martensitica, mudanças bruscas de seções e concentradores de tensões, além de possíveis empenamentos.
Revenimento: pode ser realizado após a têmpera com o objetivo de reduzir a fragilização do aço, às custas de uma certa perda de dureza. Isto é conseguido através da decomposição da martensita (que é uma fase metaestável e com uma estrutura cristalina intensamente distorcida pelos átomos de carbono em solução sólida) em uma dispersão de carbonetos numa matriz ferrítica. O tratamento é realizado a uma temperatura inferior à temperatura eutetóide e a perda de dureza aumenta usualmente com a temperatura e o tempo de revenimento. Aços com adições de elementos como Cr, V, Mo e Nb podem sofrer endurecimento secundário (precipitação de carbonetos finos e duros) durante o revenimento e ter um comportamento diferente.
No processo de Revenimento dos aços pode-se verificar estágios até 250º C, de 200º C a 350º C, de 350º C a 700º C, e Revenimento múltiplo. As reações nestes estágios podem ser visualizadas na figura 33.
Recozimento: Este tratamento tem como objetivo obter no material uma estrutura próxima do equilíbrio. Uma forma de recozimento consiste em austenitizar o aço e em seguida resfriá-lo lentamente, usualmente dentro do próprio forno. Outra é o recozimento de recristalização, que é aplicado a um material encruado (deformado plasticamente a frio). Durante este tratamento, o material sofre recristalização, isto é, a sua estrutura deformada, dura, com grande quantidade de defeitos cristalinos (principalmente deslocações) e, portanto, afastada do equilíbrio, é substituída por uma estrutura com uma quantidade muito menor de defeitos e sem deformação através da nucleação e crescimento de novos grãos. Após o recozimento, o aço tende a se tornar macio, dúctil e fácil de serem cortados e dobrados, os tratamentos de Recozimento podem ser: Pleno, Subcrítico para alivio de tensões e de Esferoidizaçao.
Normalização: Este tratamento consiste em austenitizar o material e em seguida resfriá-lo ao ar, e, portanto, de uma forma mais rápida que no tratamento anterior. A normalização é usualmente utilizada para a obtenção de uma estrutura mais fina e mais dura do que a obtida no recozimento e, também, para tornar a estrutura mais uniforme ou para melhorar a usinabilidade.
Alívio de tensões: Consiste no aquecimento do aço a uma temperatura inferior à sua temperatura eutetóide e tem como objetivo causar a relaxação de tensões internas no material, resultantes de processos de conformação mecânica, soldagem, ou processos que induz tensões