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novas deformações plásticas podem ser aplicadas ao material com uma menor quantidade deenergia.Recozimento de ligas ferros...
A normalização é realizada de 55 a 85°C acima da temperatura crítica superior, que dependeda composição. Após ter transcor...
Figura 2 - Dureza em função do tempo de revenido para um aço carbono 1080.Note que durante um tratamento de têmpera é impo...
profundidade até a qual martensita se forma em uma dada liga ferrosa são eliminados. Paraisto são padronizados o tamanho e...
Tabela 1 - Composição das ligas de aço utilizadas na curva de endurecibilidade.                           Aço    Composiçã...
Figura 5 - Curvas de endurecibilidade para 4 ligas da série 8600.Figura 6- Correlação entre a posição e o tipo de transfor...
Durante a produção industrial existe uma variação inevitável na composição e no tamanho degrão de uma batelada para outra ...
Figura 8 - Taxa de resfriamento como uma função do diâmetro em posições na superfície.Estes diagramas podem ser utilizados...
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Processamento térmico de ligas metálicas

  1. 1. Processamento Termico de Ligas MetalicasNa aula passada foram abordados alguns poucos tratamentos térmicos de ligas ferrosas, maisprecisamente a liga ferro-carbono, ilustrando fenômenos como a recristalização e adecomposição da austenita, podendo originar a perlita, bainita ou martensita. Nesta aula estesprocessos serão vistos de forma mais aprofundada, mostrando como são utilizados paraalterar as propriedades mecânicas de uma dada liga ferrosa.RecozimentoNeste processo, o material é exposto a uma alta temperatura por um período de tempoprolongado, e depois lentamente resfriado. Os efeitos do recozimento são: 1. Alívio das tensões internas; 2. Torna o material mais dúctil e tenaz; 3. Pode alterar uma microestrutura específica.Todos os processos de recozimento são compostos de três etapas fundamentais: 1. Aquecimento até a temperatura desejada; 2. Manutenção da temperatura; 3. Resfriamento até a temperatura ambiente;O tempo é um dos parâmetros mais relevantes deste tipo de tratamento térmico. Durante osprocessos de variação de temperatura existem diferenças de temperaturas entre as partesinternas e externas da peça sobre a qual o tratamento térmico está sendo aplicado (diferençaconhecida como gradiente de temperatura).Caso exista uma diferença de temperatura muito grande entre as partes internas e externas domaterial durante o recozimento pode haver empenamento ou trincamento do material.O tempo real de recozimento deve ser longo o suficiente para permitir as transformaçõesnecessárias.A temperatura de recozimento é outro parâmetro importante do processo, uma vez que podeacelerar a difusão atômica, etapa que normalmente está envolvida no recozimento.Recozimento intermediárioTratamento térmico aplicado para anular os efeitos da deformação plástica a frio, amolecendoe aumentando a ductilidade de um material que sofreu processo de encruamento.Este tratamento é utilizado na confecção de produtos que exigem uma grande deformaçãoplástica do material manufaturado, desta forma, o material é submetido a uma deformaçãoinicial preliminar, que o encrua. Para desfazer este efeito do encruamento o recozimentointermediário é conduzido, fazendo com que os grãos voltem ao estado original. Após insto,
  2. 2. novas deformações plásticas podem ser aplicadas ao material com uma menor quantidade deenergia.Recozimento de ligas ferrosasO recozimento é empregado para modificar algumas propriedades mecânicas do aço, como aductilidade e a tenacidade. Antes de discutir os processos de recozimento aplicados ao aço,serão apresentados alguns detalhes sobre a fronteira entre as fases nas proximidades doponto eutetóide do aço.Figura 1 - Diagrama de fases Ferro-Fe3C nas vizinhanças do ponto eutetóide, indicando faixas de temperatura de tratamentos térmicos.A linha horizontal na Figura 1 identificada por A1 é conhecida como temperatura críticainferior, abaixo da qual somente existirão as fases ferrita e austenita quando respeitadas ascondições de equilíbrio. As fronteiras entre as fases indicadas por A3 e Acm representam aslinhas que compõe a temperatura crítica superior. Lembre-se que esta configuração dodiagrama de fases Fe-Fe3C considera a não existência de outros elementos de liga que não oferro ou o carbono. O Acrescimo de outros elementos, como Cr, Mg, Mo, entre outros afetamfortemente a posição destas fronteiras.NormalizaçãoAços deformados plasticamente mediante as operações de laminação ou trefilação, porexemplo, são compostos por grãos de perlita e muito provavelmente por uma faseproeutetóide com formatos irregulares e relativamente grandes. Utiliza-se o tratamento deNormalização para refinar os grãos, uma vez que aços perlíticos com grãos finos são maistenazes do que aços perlíticos com grãos grosseiros.
  3. 3. A normalização é realizada de 55 a 85°C acima da temperatura crítica superior, que dependeda composição. Após ter transcorrido tempo suficiente para que a liga seja transformadacompletamente em austenita (procedimento conhecido como austenização) o tratamento éencerrado com o resfriamento contínuo ao ar.Recozimento PlenoEste tratamento térmico é utilizado com frequência em aços com baixos e médios teor decarbono (de 0 até 0,45%p C) que serão submetidos à usinagem ou a deformações plásticasextensas durante uma operação de conformação.Neste tratamento, a liga é austenizada por meio de um aquecimento entre 15 a 40°C acimadas linhas A1 ou A3, como indicado na Figura 1. Após atingir o equilíbrio, a liga é resfriadadentro do próprio forno de tratamento térmico que é desligado. Este procedimento provocaum resfriamento muito lento da liga, produzindo uma perlita grosseira (assim comoeventualmente uma fase proeutetóide) relativamente mole e dúctil.Recozimento SubcríticoAços com teores médios e altos de carbono (acima de 0,45%p C) com estrutura perlíticagrosseira uniforme podem ainda se apresentarem excessivamente duros para deformaçõesplásticas. Estes aços, assim como qualquer aço, podem ser recozidos para o desenvolvimentoda cementita globulizada, que é mole e apresenta um máximo de ductilidade, o que torna estaaço facilmente usinado ou deformado plasticamente.O recozimento crítico consiste em um aquecimento imediatamente abaixo da temperaturaeutetóide (linha A1) da Figura 1, por volta de 700°C. Se a estrutura original contiver perlita, otempo de recozimento subcrítico estará na faixa entre 15 e 25h.Têmpera e RevenimentoNas ligas ferrosas, a têmpera consiste no resfriamento rápido e contínuo da liga que seapresenta em uma fase austenitizada. Este resfriamento ocorre se posicionando em outromeio de resfriamento, que pode ser a água, o óleo ou o ar.Como citado na aula anterior, este tratamento térmico converte a austenita em martensitametaestável, e devido à diferença de densidade destes materiais aparece o que se classificacomo tensão interna no material.Para aliviar estas tensões após a têmpera se realiza um tratamento térmico chamado derevenimento. Neste tipo de tratamento a liga é reaquecida a uma temperatura inferior àtemperatura eutetóide e espera-se por um determinado tempo para que a martensita original(TCC, monofásica) se transforme em martensita revenida (fase α + Fe3C) através da difusãoatômica.Quanto maior a temperatura, maior o favorecimento à difusão atômica, produzindo maioresgrãos de Cementita, o que diminui a área de contato entre as fases ferrita e cementita,consequentemente produzindo uma liga mais fraca e menos tenaz, como no gráfico da Figura2.
  4. 4. Figura 2 - Dureza em função do tempo de revenido para um aço carbono 1080.Note que durante um tratamento de têmpera é impossível resfriar a amostra de formaconstante e uniforme ao longo de sua extensão, pois a superfície da amostra irá se resfriarantes do que o interior da mesma. Desta forma a austenita irá se transformar de formadiferente ao longo do interior da peça, afetando as propriedades mecânicas sobre a linha ecorte da amostra.O sucesso de um tratamento térmico para a produção de uma estrutura predominantementemartensítica depende dos seguintes fatores: 1. Composição da liga; 2. Do tipo e natureza do meio de resfriamento; 3. Tamanho e forma da amostra.Cada um destes fatores será detalhado e discutido na sequência.EndurecibilidadeA endurecibilidade mede qualitativamente o quanto a dureza de um dado aço cai na medidaem que nos afastamos da superfície do mesmo. Uma liga que apresenta uma altaendurecibilidade é uma liga que endurece (ou forma martensita) não apenas na superfície damesma, apresentando também elevado grau de martensita no seu interior.A composição da liga afeta fortemente a endurecibilidade.O teste Jominy da extremidade temperadaConsiste em um procedimento padrão para se determinar a endurecibilidade. Neste ensaio,com exceção da composição da liga, todos os demais fatores de influência que afetam a
  5. 5. profundidade até a qual martensita se forma em uma dada liga ferrosa são eliminados. Paraisto são padronizados o tamanho e forma da amostra, assim como o método de tempera.Para o ensaio é confeccionado um corpo de provas de 1” de diâmetro por 4” de comprimento.Este corpo de provas é austenitizado e após isto montado rapidamente em um conjunto deforma que a extremidade inferior do corpo de prova é resfriada rapidamente por um jato deágua com uma vazão e temperatura controladas. Após a peça ter resfriado a temperaturaambiente é cortado um chanfro achatado com 0,4mm de profundidade ao longo do corpo deprova, sobre o qual é realizado um teste de dureza Rockwell C nos primeiros 51,2mm do corpode prova. Nos primeiros 12,8mm as medidas são colhidas em intervalos de 1,6mm, e para osdemais 38,4mm as medições são tomadas em intervalos de 3,2mm. Desta forma é possívelplotar uma curva da dureza em função da posição no corpo de prova. A Figura 3 ilustra asetapas do ensaio.Figura 3 - Diagrama esquemático de um ensaio Jominy da extremidade temperada, com (a) ilustrando o processo de tempera e em (b) o processo de medição da dureza.Curva de endurecibilidadeUma curva típica de endurecibilidade está ilustrada na Figura 4. Observe que a extremidadeque resfria mais rapidamente apresenta uma maior dureza. A taxa de resfriamento diminuiem função do aumento da distância da extremidade resfriada, e consequentemente a durezase reduz também, pois com a taxa de resfriamento baixa, a região do corpo de prova reduziráa temperatura de forma lenta, deixando mais tempo para a realização da difusão atômica, oque permite a formação de uma maior parcela de perlita (que é mais mole) misturada quepode estar misturada à bainita e martensita.Cada liga de aço apresenta sua própria e exclusiva curva de endurecibilidade. Na Figura 4 estãoas curvas de endurecibilidade de 5 tipos diferentes de aço, todos com 0,4%p C, mas comalguns elementos extras de acordo com a tabela abaixo:
  6. 6. Tabela 1 - Composição das ligas de aço utilizadas na curva de endurecibilidade. Aço Composição (em %p) aprox.. 1040 0,4 C 4340 0,4 C; 1,85 Ni; 0,8 Cr e 0,25 Mo 4140 0,4 C; 1 Cr e 0,2 Mo 8640 0,4 C; 0,55 Ni; 0,5 Cr; 0,2 Mo 5140 0,4 C e 0,85 CrA disparidade entre o comportamento das ligas na tempera se deve ao fato da presença doselementos Cromo, Níquel e Molibidênio que retardam a transformação da austenita em perlitaou bainita, permitindo que mais martensita se forme a uma taxa de resfriamento específica.É possível ainda estabelecer uma relação entre a posição ao longo do corpo de prova Jominycom a transformação do material, conforme a Figura 6, onde é mostrado o resfriamentocontínuo de um aço eutetóide. Figura 4 - Curva de endurecibilidade de cinco ligas diferentes de aço, cada uma contendo 0,4%p C.Acima de qualquer coisa, a curva de endurecibilidade de um aço está intimamente relacionadacom a quantidade de carbono presente nesta liga. Por exemplo, utilizando uma liga da série86xx que apresenta quantidades de Cromo, Níquel e Molibdênio na Tabela 1 foi variada aquantidade de carbono e analisada a dureza atingida no ensaio de Jominy. Os resultados estãona Figura 5.
  7. 7. Figura 5 - Curvas de endurecibilidade para 4 ligas da série 8600.Figura 6- Correlação entre a posição e o tipo de transformação sofrida pela austenita.
  8. 8. Durante a produção industrial existe uma variação inevitável na composição e no tamanho degrão de uma batelada para outra de aço. Isto produz uma certa variação nas curvas deendurecibilidade do aço. Desta forma, normalmente é possível visualizar nos catálogos destamaterial uma curva de endurecibilidade com uma banda informando os valores máximos emínimos que podem ser obtidos pelos aços de mesma concentração. Figura 7 - Banda de valores possíveis de dureza para um aço 8640.Influencia do meio de resfriamento, do tamanho e da geometria da amostra.A taxa de resfriamento de uma amostra depende da quantidade de energia térmica que seconsegue extrair desta amostra, o que depende do meio de resfriamento, bem como dotamanho e da geometria da amostra.A “severidade da têmpera” é um termo relacionado com a velocidade do resfriamento domaterial que está sofrendo a têmpera. Quanto mais rápido for o resfriamento, mais severaserá a tempera. Dos três meios mais comuns utilizados na têmpera, a água é a que apresentamaior severidade, seguida do óleo e por fim do ar. O grau de agitação do meio de resfriamentotambém influi na velocidade da dissipação do calor do material que está passando pelatêmpera.Para aços com maiores concentrações de carbono recomenda-se a tempera em óleo, pois emágua seria muito severa a tempera, podendo trincar ou deformar de maneira não planejada omaterial. O resfriamento de aços comuns ao ar produz uma estrutura predominantementeperlítica.Nas Figura 8 estão as taxas de resfriamento de alguns corpos de prova na medida em que nosafastamos da superfície externa do corpo, ilustrando o efeito da posição geométrica noresfriamento.
  9. 9. Figura 8 - Taxa de resfriamento como uma função do diâmetro em posições na superfície.Estes diagramas podem ser utilizados na previsão da dureza transversal ao longo de umasecção reta, ilustrados na Figura 9. Figura 9 - Perfis radiais de dureza para (a) amostras cilíndricas de aço com diâmetro de 50mm (2pol.) e (b) amostras com diâmetro de 50 e 100mm. Ambas temperadas em água moderadamente agitada.
  10. 10. BibliografiaCallister JR, W. D. (2002). Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. Rio de Janeiro: LTC.Exercícios 1. Descreva os procedimentos para tratamento térmico de aços e para cada um deles a microestrutura final que é obtida: a. Recozimento completo; b. Normalização; c. Têmpera; d. Revenimento; 2. (Resolvido em classe – Item b –> Os demais devem ser resolvidos em casa) Dê a faixa de temperatura ao longo das quais é possível austenizar cada uma das seguintes ligas ferro-carbono durante um tratamento térmico de normalização: a. 0,20%p C b. 0,76%p C c. 0,95%p C 3. (Resolvido em classe – Item b –> Os demais devem ser resolvidos em casa) – Dê a faixa de temperaturas ao longo das quais é desejável ajustar cada uma das seguintes ligas de ferro-carbono durante um tratamento térmico de recozimento pleno: a. 0,25%p C b. 0,45%p C c. 0,85%p C d. 1,10 %p C

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