Têmpera, Martêmpera e Austêmpera

Têmpera, Martêmpera e Austêmpera

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Índice

1 – Introdução 2

2 – Temperabilidade 2

2.1 – Utilização dos diagramas TTT e de arrefecimento contínuo 2

2.2 – Ensaios de temperabilidade 4

2.3 – Efeito do tamanho de grão e da composição química na temperabilidade 8

2.4 – Temperabilidade e tratamento térmico 9

3 – Tratamento térmico de têmpera 10

3.1 – Aquecimento 10

3.2 – Estágio de têmpera 11

3.3 – Arrefecimento 13

3.4 – Factores que influenciam os resultados de têmpera 14

3.5 – Erros cometidos na têmpera 15

4 – Tratamento térmico de martêmpera 18

4.1 – Meios de arrefecimento na martêmpera 19

4.1.1 – Banho de sais para martêmpera 19

4.1.2 – Óleos para martêmpera 20

4.2 – Aços para martêmpera 21

4.2.1 – Aços de baixo e médio teor de carbono 23

4.2.2 – Graus incertos 23

4.2.3 – Efeito da massa 23

5 – Tratamento térmico de austêmpera 24

5.1 – Meios de arrefecimento na austêmpera 25

5.1.1 – Banhos de sais para austêmpera 25

5.1.2 – Óleos para austêmpera 26

5.2 – Aços para austemperização 26

5.2.1 – Temperatura de austemperização 27

5.3 – Limitação das secções das peças para austêmpera 27

5.4 – Aplicações 27

5.5 – Controlo das variáveis de processo 28

5.6 – Controlo dimensional 28

6 – Glossário 29

7 – Bibliografia 30

Têmpera, Martêmpera e Austêmpera

1 - Introdução

A via tradicional para obter alta resistência nos aços é a têmpera para martensite. Esta é subsequentemente reaquecida, ou revenida, a uma temperatura intermédia, o que aumenta a tenacidade do aço sem grande perda de resistência. Para que se possa obter a resistência óptima, um aço tem pois de ser previamente transformado em martensite. Para isso, é necessário que o aço seja temperado a uma velocidade suficientemente rápida, que impeça a decomposição da austenite, durante o arrefecimento, em produtos como a ferrite, a perlite e a bainite.

A adição de elementos de liga a um aço desloca normalmente as curvas TTT para tempos mais longos, permitindo evitar o nariz da curva durante a operação de têmpera, quer dizer, a presença de elementos de liga reduz a velocidade crítica de arrefecimento necessária para que um provete de aço fique completamente martensítico. Se esta velocidade critica não for alcançada, o provete de aço será martensítico nas regiões exteriores que arrefecem mais depressa, mas a menor velocidade de arrefecimento no centro originará bainite, ferrite ou perlite, dependendo das circunstâncias particulares. Deste modo surgem tratamentos térmicos tais como martempera e austempera, que tem como função atingir estruturas completamente martensiticas sem que ocorram defeitos ou grandes distorções, (que possam prejudicar a massa dos provetes) resultantes do rápido arrefecimento ou seja devido à severidade da têmpera.

A capacidade de um aço formar martensite na têmpera designa-se por temperabilidade. Usando varões de aço de tamanho padrão, a temperabilidade pode ser expressa pela distância, medida a partir da superfície, à qual há 50 % de transformação em martensite, após um tratamento de têmpera padrão, a temperabilidade é, portanto, uma medida da profundidade de endurecimento.

2 – Temperabilidade

2.1 - Utilização dos diagramas TTT e de arrefecimento contínuo

Os diagramas TTT constituem um bom ponto de partida para avaliar a temperabilidade; no entanto, estes diagramas descrevem, de facto, a cinética da transformação da austenite em condições isotérmicas, e, por isso, dão apenas uma indicação grosseira sobre o que acontece na prática. Considere-se, por exemplo, o efeito do aumento do teor de molibdénio: a figura 1 e 2 mostra os diagramas TTT para dois aços, respectivamente, 0,4 % C 0,2 % Mo e 0,3 % C 2 % Mo. O aço com 0,2 % Mo começa a transformar-se após cerca de um segundo a 550 ºC; quando o teor de molibdénio aumenta para 2 %, a curva em C desloca-se para cima e, simultaneamente, a velocidade de reacção diminui bastante, de modo que o nariz da curva fica acima de 700 ºC e a reacção inicia-se após quatro minutos. O segundo aço tem, portanto, uma temperabilidade muito mais elevada do que o aço com 0,2 % Mo.

As naturais limitações de aplicabilidade dos diagramas isotérmicos a situações que envolvam uma gama de velocidades de arrefecimento, no intervalo de temperatura de transformação, levaram ao desenvolvimento de diagramas mais realistas os diagramas de arrefecimento contínuo (CCT). Nestes diagramas está representada a evolução da transformação com a temperatura, para uma série

Figura 1 – Diagrama TTT de um aço – molibdénio 0.4 C, 0.2 MO

de velocidades de arrefecimento. Para construir o diagrama usam-se provetes cilíndricos, que são submetidos a diferentes velocidades de arrefecimento. O início da transformação é detectado por medidas de dilatometria, permeabilidade magnética ou outra propriedade física. Os produtos de transformação - ferrite, perlite ou bainite - podem ser previstos a partir dos diagramas isotérmicos e confirmados por exame metalográfico. Os resultados são depois representados num diagrama temperatura/tempo de arrefecimento, revistando, por exemplo, o tempo para alcançar o início da transformação perlítica a várias velocidades de arrefecimento. Esta série de resultados permite traçar, no diagrama, a fronteira austenite - perlite; da mesma forma, é possível traçar as curvas relativas ao início da transformação bainítica.

Figura 2 – Diagrama TTT de um aço 0.3 C, 2 Mo

Na figura 3 está representado um diagrama esquemático para um aço hipotético, com indicação das fronteiras relativas à ferrite, perlite, bainite e martensite. O processo mais conveniente de utilizar o diagrama consiste em sobrepor uma folha transparente, com as mesmas escalas, e contendo linhas correspondentes a várias velocidades de arrefecimento. As fases resultantes de cada velocidade de arrefecimento são as que a linha correspondente, traçada no papel transparente, intersecta no diagrama de arrefecimento contínuo. Na figura 3 foram traçadas duas curvas de arrefecimento relativas à superfície e ao centro de um varão de 95 mm de diâmetro,

Figura 3 – Curvas de arrefecimento de um aço temperado em óleo

temperado em óleo. É de notar, neste exemplo, que a curva de arrefecimento relativa ao centro intersecta a região bainítica, o que significa que é de esperar o aparecimento de alguma bainite no centro do varão, após têmpera em óleo [7].

2.2 - Ensaios de temperabilidade

A velocidade a que a austenite se decompõe para formar ferrite, perlite ou bainite depende da composição do aço e também de outros factores, tais como o tamanho de grão da austenite e o grau de homogeneidade da distribuição dos elementos de liga. É extremamente difícil prever a temperabilidade com base em princípios teóricos, pelo que tem de se recorrer a um dos vários ensaios práticos que permitem determinar facilmente a temperabilidade de qualquer aço.

O ensaio de Grossman.

A determinação sistemática da temperabilidade foi iniciada com os trabalhos de Grossman e colaboradores, que desenvolveram um ensaio no qual provetes cilíndricos, de diferentes diâmetros, do aço em causa são temperados num determinado meio de arrefecimento. Medidas de dureza, ao longo de secções transversais dos diferentes provetes, dão uma indicação directa do efeito da temperabilidade.

Figura 4 – Durezas obtidas em secções transversais de varões de diâmetro crescente temperados em água

Na figura 4 , que representa estes valores da dureza para um aço SAE 3140 (1,1-1,4 Ni 0,55-0,75 Cr 0,40 C), temperado em óleo a partir de 815 ºC, verifica-se que a dureza correspondente a 100 % de martensite só é obtida nas secções mais pequenas, e que, para provetes de maiores diâmetros, a dureza decai marcadamente na região central do provete. As regiões mais macias e mais duras da secção podem também ser claramente distinguias por contrastação química. No ensaio de Grossman, as secções transversais são examinadas metalograficamente para determinar o provete particular que tem 50 % de martensite no seu centro. O diâmetro desse provete é designado por diâmetro crítico D0. Contudo, esta dimensão não é um valor absoluto representativo da temperabilidade, uma vez que depende obviamente do meio de têmpera (por exemplo, água ou óleo). É portanto necessário estabelecer quantitativamente a eficiência dos diferentes meios de têmpera. Para isso determinam-se coeficientes que medem a severidade de têmpera, geralmente referidos por coeficientes-H. Na figura 5 indicam-se os valores típicos de H para três meios de têmpera comuns e várias condições de agitação. O valor atribuído à severidade de têmpera em água em repouso é um 1, padrão com o qual se comparam os outros

Figura 5 - Coeficientes-H de diversod meios de têmpera

meios de têmpera. Usando os coeficientes-H, é possível determinar, em vez de D0 um diâmetro crítico ideal D , que daria 50 % de martensite no centro do provete se a superfície fosse arrefecida a uma velocidade infinitamente rápida, isto é, H = . Nestas condições é obviamente D0 = Di a que corresponde a curva de referência superior da família de curvas para diferentes valores de H (figura 6. Na prática, H varia entre cerca de 0,2 e 5,0 (figura 5). Se um ensaio de têmpera for realizado para um valor de H = 0,4, por exemplo, e for medido o valor de D0 então o gráfico da

Figura 6 – Determinação do diâmetro ideal a partir do diâmetro critico e da severidade de têmpera (para aços ao carbono e mediamente ligados)

figura 6 pode ser utilizado para determinar Di Este valor é, portanto, uma medida da temperabilidade de um aço, independente do meio de têmpera usado.

O ensaio de Jominy.

Embora o ensaio de temperabilidade de Grossman permita obter bons resultados, foram desenvolvidos outros ensaios, menos elaborados, para determinar a temperabilidade. Entre estes, o mais importante é o ensaio de Jominy, no qual um provete cilíndrico de dimensões padrão (25,4mm de diâmetro, 102mm de comprimento) é aquecido à temperatura de austenitização, sendo depois colocado num dispositivo onde uma das extremidades é temperada por um jacto de água com características normalizadas (figura 7). Nestas condições, a velocidade de arrefecimento diminui ao longo do provete, a partir da extremidade temperada a correspondente variação de dureza é determinada por medidas desta propriedade, efectuadas em regiões planas, rectificadas, paralelas ao eixo do provete, e a 4 mm de profundidade (figura 8).

Figura 8 – Curvas Jominy de dureza - distância para aços de baixa e elevada temperabilidade

Figura 7 – Ensaio de Jominy e dimensões do provete

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