1 - TRANSFORMAÇÕES DA AUSTENITA
1.1 - EFEITO DA VELOCIDADE DE ESFRIAMENTO
O diagrama de equilíbrio estudado e a localização da zona crítica como aparece para o Fe-C são para condições de esfriamento muito lento. Os microconstituintes resultantes da transformação da austenita (ferrita, cementita e perlita), de acordo com sua quantidade relativa, permitem uma variação nas propriedades mecânicas dos aços. Esse efeito dos constituintes obtidos pela decomposição lenta da austenita sobre as propriedades mecânicas dos aços, embora apreciável, está longe de se comparar, no entanto, ao efeito que pode ser conseguido pelo rápido esfriamento da austenita.
Se for aumentada a velocidade de esfriamento da austenita, não haverá tempo suficiente para uma completa movimentação atômica e as reações de transformação da austenita se modificam, podendo mesmo deixar de se formar os constituintes normais, como a perlita, e surgirem novos constituintes de grande importância para a aplicação dos aços.
Num aço eutetoide, por exemplo, ao se atingir certa velocidade mais rápida de resfriamento, a uma temperatura mais baixa, aparece junto com a precedente, uma nova transformação, dando origem a um constituinte completamente diferente, a ‘martensita’. Dentro de certa faixa de velocidade de esfriamento há formação simultânea de dois constituintes, perlita e martensita. Finalmente, para determinada velocidade de esfriamento, desaparece inteiramente a primeira transformação e cessa, portanto, a formação de perlita; permanece somente a segunda transformação, tendo como produto resultante a martensita.
1.2 - DIAGRAMA “TEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO”
A primeira pesquisa experimental no sentido de determinar as relações existentes entre velocidade de esfriamento e as transformações que ocorrem a temperaturas constantes foi realizada por Davenport e Bain, originando-se desses estudos o desenvolvimento dos conhecidos diagramas de transformação isotérmica, de grande valor prático para a compreensão e a realização dos tratamentos térmicos dos aços.
Nesse diagrama, em que o tempo é levado em escala logarítmica, marca-se para cada temperatura os pontos de início de transformação da austenita, isto é, quando começa
% d e tr an sf or ma çã o austenita
Tempo em escala logarítmica 0 100 300 500 723 T(ºC) 0 100 martensita Mf Mi austenita perlita bainita F I
a se formar perlita, e os pontos de fim de transformação, quando se tem toda a austenita transformada em perlita.
Tem-se, assim, no diagrama uma série de pontos de início e de fim de transformação, os quais ligados entre si originam duas curvas em forma de C. Essas curvas são chamadas de curvas ‘TTT’(tempo-temperatura-transformação).
Representação esquemática
O exame dessas curvas, para o aço eutetoide acima, revela o seguinte:
a) A linha horizontal na parte superior do diagrama representa a linha inferior da zona crítica, isto é, a linha A1 à temperatura de 723ºC;
b) A linha em forma de C marcada por I define o tempo necessário para que a transformação da austenita em perlita se inicie;
c) A linha também em forma de C e marcada por F define o tempo necessário para que a transformação da austenita em perlita se complete;
d) À temperatura de cerca de 200ºC, a linha Mi e mais abaixo a linha Mf indicam o aparecimento de outro tipo de transformação, a qual tem lugar instantaneamente, independente do tempo;
e) Logo abaixo de A1 , zona em que a velocidade de transformação é muito baixa, forma-se perlita lamelar, de granulação grosseira e de baixa dureza;
f) À medida que a temperatura cai, nas proximidades do cotovelo da curva, em torno de 550ºC, a perlita que se forma adquire textura cada vez mais fina e dureza cada vez mais elevada. Para diferenciá-lo de perlita lamelar normal, esse constituinte é chamado de perlita fina ou troostita. É a forma mais dura da perlita e a que apresenta as lamelas mais finas, que dificilmente são perceptíveis ao microscópio;
g) À temperatura entre 550ºC e 200ºC, novamente há necessidade de um tempo mais longo para se iniciar a transformação da austenita. Nessa faixa de temperaturas, o produto de transformação resultante varia de aspecto, desde um agregado de ferrita e carbeto de ferro muito fino, em torno de 450ºC, até um constituinte em forma de agulhas com coloração escura, em torno de 200ºC, denominada ‘bainita’;
h) Finalmente, na faixa de temperaturas de Mi (em torno de 200ºC) até Mf (em torno de 100ºC) forma-se um constituinte novo, totalmente diverso dos anteriores, a martensita. Sua aparência e forma são semelhantes às da bainita, ou seja, apresenta-se em agulhas, mas com coloração mais clara.
Comparando-se os diagramas a seguir de um aço hipoeutetoide e de um aço hipereutetoide, podemos concluir que o aumento no teor de carbono tende a deslocar a curva em C para a direita, ou seja, retarda o início e o fim da reação para a formação da perlita. Ou ainda, quanto menor o teor de carbono, tanto mais difícil de se obter por esfriamento, mesmo que muito rápido, a estrutura unicamente martensítica.
austenita t (s) 0 723 T (ºC) martensita Mf Mi austenita perlita bainita F I austenita austenita t (s) 0 723 T (ºC) martensita Mf Mi austenita perlita bainita F I
Diagrama T-T-T para um aço hipoeutetoide
T (ºC) 723 0 I F Mi Mf t (s) A B C D
A figura a seguir superpõe curvas de esfriamento no diagrama ‘TTT’, da qual podemos extrair as seguintes conclusões: um aço esfriado muito lentamente, no forno por exemplo (curva A), começa a se transformar em perlita ao atingir a curva I e, ao atingir a curva F, é inteiramente constituído de perlita. Essa perlita é de granulação grosseira e apresenta baixa dureza; logo, aços esfriados muito lentamente apresentam, à temperatura ambiente, o constituinte perlita grosseira e são de baixa dureza.
Curvas de resfriamento no diagrama T-T-T
Com o esfriamento mais rápido, ao ar por exemplo (curva B), o aço apresentará perlita mais fina, com dureza mais elevada. Com velocidade de esfriamento maior, em óleo por exemplo (curva C), a velocidade de esfriamento agora é tal que a curva de esfriamento não toca na curva de fim de transformação , de modo que a transformação em perlita apenas se inicia, interrompendo-se em seguida e, ao atingir a linha Mi, a austenita que não se transformou passa a martensita, cuja formação termina em Mf. A estrutura resultante dessa velocidade de esfriamento é simultaneamente perlita e martensita.
Com esfriamento muito rápido (curva D), em água, verifica-se que a curva de esfriamento não toca a curva de transformação, de modo que não há transformação da austenita em produto lamelar, mas passagem à martensita. Logo, os aços esfriados mais rapidamente são os mais duros.
Pode-se notar que há uma velocidade de esfriamento à qual corresponde uma curva de esfriamento que tangencia a curva C de início de transformação. A essa velocidade de
t (s) 0 T (ºC) 723 Mi Mf I F núcleo superfície
esfriamento chama-se velocidade de têmpera e indica que é desnecessário esfriar-se o aço mais rapidamente para que se produza estrutura martensítica. Pode-se, pois, definir a velocidade crítica de esfriamento como a menor velocidade de esfriamento que produzirá estrutura inteiramente martensítica.
A velocidade de esfriamento e, em última análise, o tipo de tratamento térmico será escolhido de acordo com a estrutura e as propriedades que se desejam.
Velocidades maiores de esfriamento podem ocasionar conseqüências sérias, como tensões internas excessivas, empenamentos das peças e até mesmo o aparecimento de fissuras. Isto significa que, ou devem ser sacrificadas as propriedades finais do aço mediante um tratamento térmico com esfriamento menos drástico, ou se deve procurar um aço que possibilite obtenção de máxima dureza com menor velocidade de esfriamento.
Existe um outro microconstituinte para o qual não há uma curva de esfriamento que permita a sua formação. De fato, só é obtido em tratamento isotérmico, isto é, tratamento em que o esfriamento é interrompido na temperatura correspondente à formação da bainita para, depois que esta se formou, prosseguir até a temperatura ambiente.
1.2.1 – EFEITO DA SEÇÃO DA PEÇA
Como se pode ver a seguir, a velocidade de esfriamento é afetada pela seção da peça, pois é óbvio que o interior da peça se esfria mais lentamente que a sua superfície. A diferença é tanto maior quanto maior for a velocidade de esfriamento e, evidentemente, quanto maior for a seção da peça.
Em água ou salmoura (meios drásticos), a superfície esfriou com velocidade superior à velocidade crítica de esfriamento, ou seja, a superfície adquiriu inteiramente a estrutura martensítica e, portanto, a máxima dureza. O centro da peça sofreu parcialmente a transformação da austenita em perlita, tendo a parte não transformada passado a martensita, ou seja, o centro adquiriu, em parte, dureza máxima. Em óleo, só a superfície passou parcialmente a martensita e no ar nem mesmo a superfície.
Se a seção da peça for maior, a diferença é mais acentuada e o aspecto, com esfriamento em água pode ser mostrado na figura anterior. Mesmo em água, o centro da peça não endureceu nem parcialmente. A drasticidade do resfriamento pode ser representada, da menor para a maior velocidade, da seguinte forma:
FORNO DESLIGADO AR TRANQUILO VENTILADO ÓLEO PARADO EM AGITAÇÃO ÁGUA PARADA EM AGITAÇÃO SALMOURA PARADA EM AGITAÇÃO
1.3 - FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DAS CURVAS DO DIAGRAMA TTT
No que se refere à composição química, os elementos de liga, ao serem adicionados aos aços, deslocam as curvas de início e de fim de transformação para a direita, ou seja, retardam a transformação. A consequência mais importante desse deslocamento e, portanto, do retardamento nas transformações, consiste na maior facilidade de obter, por esfriamento, a estrutura martensítica. Na realidade, conforme os elemento de liga presentes, pode-se ter formação quase que somente de martensita mesmo com esfriamento lento.
Em relação ao tamanho de grão da austenita, verifica-se que quanto maior esse tamanho de grão tanto mais para a direita são deslocadas as curvas de início e de fim de transformação, com consequente atraso do início e do fim da formação da perlita.
A homogeneidade da austenita é outro fator de influência sobre a posição das curvas do diagrama isotérmico. Quanto menos homogênea a austenita, ou seja, quanto maior a quantidade de carbonetos ou de áreas localizadas ricas em carbono, tanto mais rápido é o início da reação de formação de perlita. De fato, carbonetos residuais não dissolvidos atuam como núcleos para a reação de formação da perlita, de modo que o início da transformação da austenita é acelerado.
1.4 - FATORES DE INFLUÊNCIA NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS
Antes de serem definidos e descritos os vários tratamentos térmicos, é preciso saber que existem diversos fatores que devem ser levados em conta na sua realização. Representando o tratamento térmico um ciclo tempo-temperatura, os fatores a serem inicialmente considerados são o aquecimento, o tempo de permanência à temperatura e o resfriamento. Além desses, outro de grande importância é a atmosfera do recinto de aquecimento, visto que a sua qualidade tem grande influência sobre os resultados finais dos tratamentos térmicos. Cada um dos fatores supracitados influencia de determinada forma nos tratamentos térmicos.
2 - TRATAMENTOS TÉRMICOS
São os processos efetuados sobre os aços com a finalidade de modificar uma ou mais das suas propriedades, através da transformação de seus microconstituintes, obtidos através das curvas de resfriamento mostradas anteriormente.
2.1 - RECOZIMENTO
É o tratamento térmico realizado com a finalidade de alcançar um ou vários objetivos: remover tensões devidas a tratamentos mecânicos, diminuir dureza para melhorar a usinabilidade do aço, ajustar o tamanho de grão, regularizar a textura bruta de fusão, eliminar os defeitos de quaisquer tratamentos térmicos ou mecânicos a que o aço tiver sido anteriormente submetido.
t (s) 0 T (ºC) 723 Mi Mf I F perlita grossa
2.1.1 – RECOZIMENTO TOTAL OU PLENO
Consiste no aquecimento do 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, realizado mediante o controle da velocidade de resfriamento do forno ou desligando-se o mesmo e deixando que o aço resfrie ao mesmo tempo em que ele. Este tratamento está mostrado esquematicamente a seguir.
Nessas condições obtém-se perlita grosseira que é uma estrutura ideal para melhorar a usinabilidade dos aços de baixo e médio carbono. Os constituintes estruturais que resultam do recozimento pleno são perlita e ferrita para os aços hipoeutetoides, cementita e perlita para os aços hipereutetoides e perlita para os aços eutetoides.
A temperatura para o recozimento pleno é de mais ou menos 50ºC acima do limite superior da zona crítica (linha A3) para os aços hipoeutetoides e acima do limite inferior (linha A1) para os aços hipereutetoides.
2.1.2 – RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES
Consiste no aquecimento do aço a temperaturas abaixo do limite inferior da zona crítica. O objetivo é aliviar as tensões originadas durante a solidificação ou produzidas em operações de transformação mecânica a frio, corte por chama, soldagem ou usinagem. Essas tensões começam a ser aliviadas a temperaturas logo acima da ambiente; entretanto, é aconselhável o aquecimento lento até pelo menos 500ºC para garantir os melhores
resultados. A tabela abaixo apresenta alguns exemplos típicos de tratamento para alívio de tensões.
TIPO DE AÇO TEMPERATURA (Cº) TEMPO (h/pol)
Aço com 0,35% C, com menos de ¾” de seção alívio de tensões geralmente desnecessário Aço com 0,35% C, com ¾” ou mais de seção 595 a 675 1 Aço com mais de 0,35% C, com menos de ½” de seção alívio de tensões geralmente desnecessário Aço com mais de 0,35% C, com ½” ou mais de seção 595 a 675 1 Aço C-Mo, com menos de 0,20% C, qualquer espessura 595 a 675 2 Aço C-Mo, com 0,20 a 0,35% C, qualquer espessura 675 a 760 2 a 3 Aço Cr-Mo, com 2,0% Cr e 0,5% Mo, qualquer espessura 720 a 745 2 Aço Cr-Mo, com 2,25% Cr e 1,0% Mo, qualquer espessura
730 a 760 3
Aço Cr-Mo, com 5,0% Cr e 0,5% Mo, qualquer espessura
Aço Cr-Mo, com 9,0% Cr e 1,0% Mo, qualquer espessura 745 a 775 3 Aços inoxidáveis 410 e 430, qualquer espessura 775 a 800 2 Aços inoxidáveis 309 e 310, com seção superior a ¾” 870 2
2.1.3 – ESFEROIDIZAÇÃO
Consiste num aquecimento e resfriamento subseqüente, em condições tais a produzir uma forma globular ou esferoidal de carboneto no aço. Promove-se um aquecimento a uma temperatura logo acima da linha inferior de transformação, seguido de esfriamento lento ou um aquecimento por tempo prolongado a uma temperatura logo abaixo da linha inferior da zona crítica, também chamado de recozimento subcrítico. A esferoidização objetiva melhorar a usinabilidade de aços de alto carbono.
2.2 - NORMALIZAÇÃO
Consiste no aquecimento do aço a uma temperatura acima da zona crítica, seguido de resfriamento ao ar. Esse tratamento está mostrado na figura a seguir. Para os aços hipoeutetoides, pode-se admitir que a temperatura de aquecimento ultrapasse a linha A3 e para os hipereutetoides a linha Acm.
A normalização visa refinar a granulação grosseira de peças de aço fundido; é, ainda, usada como tratamento preliminar à têmpera e ao revenido, justamente por produzir
t (s) 0 723 Mi Mf I F perlita fina
estrutura mais uniforme, além de reduzir a tendência ao empenamento e facilitar a solução de carbonetos e elementos de liga. Os microconstituintes que se obtêm na normalização são perlita fina, ferrita e perlita fina, ou cementita e perlita fina.
O quadro a seguir permite uma análise das propriedades dos aços em função do seu percentual de carbono bem como quanto ao tipo de tratamento térmico a que foi submetido. Teor de carbono (%C) 0,10 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 NORM AL IZ AD O Limite de escoamento (kgf/mm2) 18,0 31,5 35,5 42,0 49,0 70,0 70,0 Limite de resistência à tração (kgf/mm2) 31,5 45,0 59,5 76,5 94,0 106,5 107,0 Alongamento em 50mm (%) 45 35 27 19 13 7 3 Estricção (%) 71 60 43 28 18 11 6 Dureza Brinell (HB) 90 120 165 220 260 295 315 Limite de escoamento (kgf/mm2) 12,5 25,0 31,0 34,5 36,5 36,5 35,5 Limite de resistência à tração (kgf/mm2) 29,0 41,0 52,5 67,0 80,5 75,5 71,5 Alongamento em 50mm (%) 47 37 30 23 19 15 13 Estricção (%) 71 64 48 33 25 22 20 Dureza Brinell (HB) 90 115 145 190 220 215 200
t (s) 0 T (ºC) 723 Mi Mf I F martensita revenida REVENIDO martensita 2.3 - TÊMPERA
Consiste no resfriamento rápido do aço de uma temperatura superior à sua temperatura crítica, mais ou menos 50ºC acima da linha A1 para os aços hipereutetoides, em um meio como óleo, água, salmoura ou mesmo o ar. O objetivo precípuo da têmpera é a obtenção da estrutura martensítica, para o que se deve, portanto, fazer com que a curva de esfriamento passe à esquerda do cotovelo da curva em ‘C’, evitando-se, assim, a transformação da austenita.
A velocidade de resfriamento, nessas condições, dependerá do tipo de aço, da forma e das dimensões das peças. A seção das peças constitui fator importante porque pode determinar diferenças de esfriamento entre a superfície e o centro. Em peças pequenas ou de pequena espessura, essa diferença é desprezível. O mesmo, contudo, não se dá com peças de grandes dimensões, no centro das quais a velocidade de esfriamento é menor do que na superfície, resultando estruturas de transformação mistas, a não ser que o teor de elementos de liga do aço seja suficiente para impedir essa transformação e produzir somente a estrutura martensítica.
Como na têmpera o constituinte final desejado é a martensita, o objetivo dessa operação, sob o ponto de vista de propriedades mecânicas, é o aumento do limite de resistência à tração do aço e também da sua dureza. Resultam ainda redução da ductilidade (baixos valores de alongamento e estricção) e o aparecimento de apreciáveis tensões internas. Tais inconvenientes são atenuados ou eliminados pelo revenido.
Às vezes, é conveniente um núcleo mais mole e, então, escolhe-se um aço e uma velocidade de resfriamento que produzam superfície dura e núcleo macio.
Um fator importante a considerar na operação de têmpera, devido à ação que exerce na estrutura final do aço, é a temperatura de aquecimento. Em princípio, qualquer que seja o tipo do aço, hipoeutetoide ou hipereutetoide, a temperatura de aquecimento para têmpera deve ser superior à da linha de transformação A1.
O aço sendo hipoeutetoide, além da austenita, estarão presentes grãos de ferrita. Assim sendo, um aço com tal estrutura, quando resfriado em água, por exemplo, apresentará martensita conjuntamente com ferrita, pois esta, que estava presente acima da temperatura A1, não sofre qualquer alteração ao ser o aço temperado. Tem-se, portanto, têmpera ou endurecimento incompleto do material, o que geralmente deve ser evitado. Em conseqüência, ao aquecer-se um aço hipoeutetoide para a têmpera, deve-se elevar a sua temperatura acima do limite superior da zona crítica, linha A3, pois sua estrutura consistirá exclusivamente de austenita que se transformará em martensita. Ao contrário, os aços hipereutetoides são normalmente aquecidos acima de A1, sem necessidade de se ultrapassar a temperatura correspondente a A3.
2.4 - REVENIDO
É o tratamento térmico que normalmente acompanha a têmpera, pois elimina a maioria dos inconvenientes produzidos por aquela, além de aliviar ou remover as tensões internas, corrige as excessivas dureza e fragilidade do material, aumentando sua ductilidade e resistência ao choque. Recomenda-se revenir logo após a têmpera, para diminuir a perda de peças por ruptura, a qual pode ocorrer se aguardarmos muito tempo para realizar o revenido.
A temperatura de revenido pode ser escolhida de acordo com a combinação de propriedades mecânicas que se deseja no aço temperado. Na operação de revenido não importa só a temperatura do tratamento, como igualmente o tempo de permanência à temperatura considerada.
t (s) 0 T (ºC) 723 Mi Mf I F bainita 3 - TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS 3.1 - AUSTÊMPERA
Baseia-se no conhecimento das curvas em ‘C’ e aproveita as transformações da austenita que podem ocorrer à temperatura constante. Por esse motivo, a austêmpera é considerada um tratamento isotérmico.
O constituinte que se origina na austêmpera, pelo esfriamento da austenita a uma temperatura constante é a bainita, que, como se viu, tem propriedades idênticas, ou mesmo superiores, às das estruturas martensíticas revenidas. Como neste tratamento evita-se a formação direta da martensita, eliminam-se os inconvenientes que essa estrutura apresenta quando obtida pela têmpera direta e que são somente eliminados pelo revenido posterior.
O aço é austemperado mediante a seguinte sequência de operações e transformações:
a) aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de austenitização (geralmente 785ºC a 870ºC);
b) resfriamento em um banho mantido a uma temperatura constante (geralmente 260ºC e 400ºC);
c) permanência no banho a essa temperatura para se ter a transformação da austenita em bainita;
t (s) 0 T (ºC) 723 Mi Mf I F martensita revenida REVENIDO martensita
A grande vantagem da austêmpera sobre a têmpera e o revenido comuns reside no fato de que, devido à estrutura bainítica formar-se diretamente da austenita , as tensões internas resultantes são muito menores, não havendo praticamente distorção ou empenamento.
3.2 - MARTÊMPERA
Compreende a seguinte sequência de operações:
a) aquecimento a uma temperatura dentro da faixa de austenitização;
b) resfriamento em óleo quente ou sal fundido mantido a uma temperatura correspondente à parte superior, ou ligeiramente acima, da faixa martensítica;
c) manutenção no meio de resfriamento até que a temperatura através de toda a seção do aço se torne uniforme;
d) resfriamento, geralmente ao ar, à velocidade moderada, de modo a prevenir qualquer grande diferença de temperatura entre a parte externa e a parte interna da seção.
Tem-se, assim, formação de martensita de modo bastante uniforme através de toda a seção da peça, durante o resfriamento até a temperatura ambiente, evitando-se a formação de excessiva quantidade de tensões residuais. Após a martêmpera, as peças são submetidas a uma operação comum de revenido, como se elas tivessem sido temperadas.
Geralmente os aços-liga apresentam melhores condições para serem martemperados do que os aços-carbono.
4 - TRATAMENTOS TERMO-QUÍMICOS
Visam os tratamentos termo-químicos o endurecimento superficial dos aços, pela modificação parcial da sua composição química nas seções que se deseja endurecer. A