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Guias e Dicas
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Introdução aos tratamentos térmicos, Notas de estudo de Engenharia Biológica

Apostila aplicada ao Curso Técnico em Eletromecânica

Tipologia: Notas de estudo

2010

Compartilhado em 23/02/2010

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leandro-mesquita-coelho-1 🇧🇷

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Baixe Introdução aos tratamentos térmicos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Biológica, somente na Docsity! CAMPUS IMPERATRIZ Diretoria de Ensino – DEN Departamento de Ensino Técnico – DENTEC Curso Técnico em Eletromecânica Prof. LAÉCIO GOMES GALDINO INTRODUÇÃO AOS TRATAMENTOS TÉRMICOS NOS AÇOS Imperatriz – MA, 2009. Prof. LAÉCIO GOMES GALDINO INTRODUÇÃO AOS TRATAMENTOS TÉRMICOS NOS AÇOS Apostila aplicada ao Curso Técnico em Eletromecânica do Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do Maranhão/ CAMPUS Imperatriz, como complementação didática à disciplina Materiais. Imperatriz – MA, 2009. 4 2 TRATAMENTOS TÉRMICOS 2.1 Objetivos Gerais Os tratamentos térmicos são um conjunto de operações que têm por objetivo modificar as propriedades dos aços e de outros materiais através de um conjunto de operações que incluem o aquecimento e o resfriamento em condições controladas. Desta maneira conseguimos obter uma variada gama de propriedades que permitem que tenhamos materiais mais adequados para cada aplicação, sem que com isto os custos sejam muito aumentados. Como o aço é o material mais comumente utilizado em engenharia todo o enfoque dado aqui residirá sobre este tipo de material, embora os tratamentos térmicos aqui descritos possam ser aplicados a outros tipos. 2.2 Tipos Comuns Os tipos mais comuns de tratamentos térmicos são: a. Esferoidização b. Recozimento c. Normalização d. Têmpera + Revenido Abaixo daremos uma breve idéia do que é cada um destes tratamentos que serão tratados em maiores detalhes adiante. Esferoidização Consiste em um tratamento que visa globulizar a cementita fazendo com que tenhamos uma microestrutura formada de um fundo de ferrita com cementita esferoidal, donde temos a origem do nome. Este tratamento também é chamado de coalescimento pelo fato de que durante o processo a cementita se aglutina em partículas de forma esferoidal. Recozimento O recozimento é um tratamento térmico em que o resfriamento, a partir do campo austenítico, deve ser feito de maneira bastante lenta para que tenhamos a formação de uma microestrutura de perlita grosseira. Isto fará com que tenhamos um material de baixa dureza e baixa resistência. 5 Normalização Se, ao invés de obtermos perlita grosseira obtivermos perlita fina no resfriamento teremos uma normalização. Isto pode ser conseguido aumentando- se a velocidade de resfriamento comparada com a velocidade do recozimento. Embora esta seja a diferença mais imediata, devemos destacar que a normalização provoca uma transformação mais importante que é a diminuição tamanho do grão, algo que é extremamente benéfico para a tenacidade do material. Têmpera e Revenido Embora estes dois itens tenham que ser tratados separadamente pelas grandes diferenças que existem entre eles, os dois tratamentos sempre serão feitos em seqüência. Enquanto que a têmpera é um tratamento que visa a obtenção de uma microestrutura completamente martensítica, que por conseqüência será dura e frágil, o revenido será empregado para corrigir justamente a fragilidade resultante da têmpera. Como conseqüência, sempre que fizermos um tratamento de têmpera, será feito o tratamento de revenido. 2.3 Fatores de Influência Sempre que fizermos um tratamento térmico, o seu sucesso ou fracasso será determinado por alguns fatores-chave que deverão ser muito bem observados. Um erro de avaliação de um deles fará com que tenhamos como resultado uma microestrutura diferente da prevista e por conseqüência um material com propriedades diferentes das desejadas. 2.3.1 Temperatura Sempre que fazemos uma transformação partimos de uma microestrutura de maior energia para uma microestrutura de menor energia. No caso dos tratamentos térmicos a passagem de uma microestrutura para outra requer sempre um aquecimento para que se chegue a um nível de energia que permita a transformação. Por exemplo, para termos transformação de uma microestrutura composta por ferrita e perlita para martensita, devemos primeiramente austenitizar o material e após, fazendo um resfriamento rápido, obter martensita. No caso dos tratamentos térmicos de recozimento, normalização e têmpera o aço deve ser levado obrigatoriamente até o campo austenítico e a partir dali feito o resfriamento adequado. Já no caso da esferoidização o material não precisa ser austenitizado, podendo ser aquecido até pouco abaixo da temperatura 6 eutetóide. Deve ser observado também que as temperaturas de austenitização para recozimento e normalização correspondem à mesma faixa para aços hipoeutetóides, mas diferem para os aços hipereutetóides. Isto se deve ao fato de que como as velocidades de resfriamento para recozimento são mais lentas do que para normalização, se fizéssemos uma austenitização completa no recozimento iria se formar uma rede de cementita no contorno de grão durante o resfriamento lento que faria com que o aço ficasse frágil. Para o tratamento térmico de têmpera são usadas normalmente as temperaturas de normalização, embora para aços hipereutetóides exista alguma dependência do teor de elementos de liga. A não ser que hajam fatores associados ao teor de elementos de liga, as temperaturas de austenitização não devem se situar em valores superiores a 50o C acima da temperatura mínima de austenitização apontada pelas linhas de solubilidade, pois neste caso poderemos ter crescimento do grão o que é prejudicial para a tenacidade do material. 2.3.2 Tempo de Permanência Quando levamos um aço até o campo austenítico, as transformações não ocorrem instantaneamente. A transformação leva um certo tempo para ocorrer e depende do tipo de transformação que irá ocorrer. Assim, a transformação de perlita ou esferoidita para austenita se dá mais rapidamente que a dissolução de carbonetos para austenita. Desta forma o tempo em que o aço deverá permanecer nas temperatura de austenitização dependerá da composição do aço. 2.3.3 Velocidade de Resfriamento Talvez o fator mais crítico para o sucesso de um tratamento térmico seja o resfriamento da peça após a austenitizacão. Um erro na avaliação da velocidade correta de resfriamento poderá conduzir a uma estrutura completamente diferente da pretendida o que fará com que o material fique com propriedades completamente diferentes das planejadas. Um caso comum de erro ocorre na normalização de aços ligados de alta temperabilidade. Como será visto mais adiante, o diagrama isotérmico nos mostra que os tempos de transformação são grandes para estes aços. Nas velocidades normais de resfriamento usadas na normalização, onde as peças são resfriadas ao ar, podemos ter transformação não em perlita fina apenas, mas também em bainita até mesmo martensita, o que conduziria a durezas muito maiores do que as esperadas. Neste caso a solução seria fazer um resfriamento mais lento do que o normal. No caso do processo de têmpera em que o objetivo é de se obter uma microestrutura totalmente martensítica para que se tenha a máxima dureza, a situação se inverte. Como a velocidade de resfriamento não é só dependente do meio de resfriamento mas 9 os tempos sejam menores. De qualquer modo este tratamento conduz a tempos maiores do que os do recozimento convencional e este fator deve ser considerado quando o realizarmos. Como já foi citado anteriormente o recozimento visa a obtenção de perlita grosseira por ser esta a estrutura que propicia as propriedades desejadas. 2.6 Normalização O processo de normalização produz propriedades semelhantes às obtidas no recozimento e em virtude disto muitas vezes os dois podem ser usados alternativamente para obter baixa dureza, boa ductilidade e para eliminar estruturas provenientes de tratamentos anteriores, como é o caso de tratamentos prévios de têmpera e em peças fundidas ou forjadas. Ocorre, porém, que a normalização é feita geralmente com resfriamento das peças ao ar. Isto conduz a uma velocidade de resfriamento mais alta do que aquela do recozimento, dando como resultado uma estrutura formada por perlita mais fina. Em conseqüência, a ductilidade será menor do que no material recozido, sua dureza e resistência mecânica serão maiores. Por outro lado, devido à maior velocidade de resfriamento teremos um refino do grão do aço, pois a velocidade de nucleação da ferrita e da perlita será maior na medida em que tivermos temperaturas de transformação mais baixas, conforme será visto em capítulo posterior. Outra vantagem da normalização reside no fato de que se pode utilizar temperaturas mais altas de austenitização, permitindo uma maior dissolução dos carbonetos dos elementos de liga e, no caso de aços hipereuteóides, não teremos a formação da rede de cementita em contorno de grão, como acontece no recozimento. Normalmente não se tem maiores problemas em adotar o resfriamento ao ar para o processo de normalização, entretanto, para aços com alta temperabilidade esta velocidade pode ser excessiva, dependendo do tamanho da peça, de tal sorte que tenhamos a formação de bainita e até mesmo martensita. Nesta situação deve ser feito um tratamento a uma velocidade mais baixa de resfriamento ou um tratamento isotérmico. 2.7 Têmpera Dentre os tratamento térmicos comuns, o tratamento térmico de têmpera é o mais importante devido ao fato de que através dele podemos ter um grande aumento da resistência mecânica e da dureza do aço e de outros materiais. Este é o aspecto mais importante, porém, em contrapartida teremos uma queda muito grande da ductilidade e principalmente da tenacidade. Este inconveniente será depois corrigido através do processo de revenido que será abordado mais adiante. 10 Se por um lado o tratamento de têmpera nos dá condições de produzirmos um grande aumento na resistência mecânica e na dureza, a um custo relativamente baixo, por outro existe uma maior complexidade na sua execução. Isto se deve à grande variação na composição dos aços e, por conseqüência, na sua temperabilidade. O carbono e os elementos de liga exercem um papel preponderante com relação a este tratamento, já que tanto influem na temperatura de austenitização quanto na velocidade de resfriamento. Assim, a temperatura de austenitização varia de aço para aço, como conseqüência da variação no teor de carbono e dos elementos de liga, pois os carbonetos formados devem ser dissolvidos pelo menos em parte para que tenhamos o efeito desejado na temperabilidade. Não basta portanto austenitizarmos o aço para termos sucesso no tratamento, mas é preciso que tenhamos também parte dos elementos de liga dissolvidos na austenita. Além da temperatura de austenitização, outro fator importante é a velocidade de resfriamento. Esta deve ser tal que impeça a formação de qualquer outro produto que não seja a martensita. É obvio que isto nem sempre é possível pois outros fatores devem ser considerados mas, de qualquer forma, este é o objetivo que deve ser perseguido neste tratamento. Como existe variação na temperabilidade com a variação do teor de carbono e dos elementos de liga, também a velocidade de resfriamento varia. Ela deve ser a menor possível para que tenhamos o menor empenamento possível das peças mas, não deve ser tão lenta que impeça a formação de martensita. Podemos notar que existem duas curvas, sendo uma relativa à superfície da peça e a outra relativa ao centro. O problema do resfriamento é um dos problemas mais complexos no caso deste processo. Se por um lado, quanto mais rápido for o resfriamento maiores serão as chances de obtermos martensita, por outro maiores serão também as chances de termos trincas e empenamentos na peça. Além disso, um resfriamento não homogêneo ao longo da superfície da peça pode também causar empenamento e variações na dureza. Como existe uma variação no volume da peça durante o aquecimento e o resfriamento e também devido à transformação da estrutura em martensita, quanto maior a diferença entre as velocidades de resfriamento na superfície e no centro ou em diferentes pontos da superfície maior será o empenamento e a possibilidade de aparecimento de trincas. Note-se que a velocidade de resfriamento inicialmente é baixa, tornando-se alta apenas para valores intermediários de temperatura da peça. Inicialmente temos um estágio em que se forma um envelope de vapor em volta da peça que impede a troca de calor da peça com o líquido, fazendo com que a velocidade seja baixa. Em um segundo estágio existe a formação de bolhas que entram em colapso rapidamente, permitindo que o fluido entre em contato com a peça e produzindo uma agitação bastante grande do fluido, o que faz com que a velocidade de resfriamento cresça rapidamente. Por fim em um terceiro estágio, a temperatura da peça não é mais suficiente para que haja a formação de bolhas e o resfriamento se dá apenas por convecção, fazendo com que a velocidade de resfriamento caia novamente. 11 Outro fato que ocorre freqüentemente em peças de formato complicado, como é o caso de uma engrenagem, de um eixo com rasgo de chaveta e de outras peças com variações no relevo, pode ocorrer a variação nas condições de resfriamento na superfície. Estas condições irão fazer com que a velocidade de resfriamento seja diferente em cada ponto, conduzindo também ao aparecimento de trincas, empenamentos ou mesmo pontos moles. Outro problema que pode ocorrer, este mais freqüente e mais simples é aquele em que temos pequenas diferenças de velocidade de resfriamento entre a superfície e o centro. Neste caso o que pode acontecer é a formação de 100% de martensita na periferia da peça e um teor menor de martensita juntamente com bainita e/ou perlita nas regiões mais centrais. O que acontece é um decréscimo na dureza em direção ao centro da peça, situação esta que nem sempre pode ser evitada. Esta situação pode ser induzida pelo meio de resfriamento ou pelo tamanho da peça. De acordo com o que foi acima exposto o meio de resfriamento mais adequado é aquele que permite obtermos a maior quantidade possível de martensita na peça. Assim sendo poderemos ter que resfriar a peça em salmoura, em água ou mesmo em óleo e outros produtos sintéticos, estes últimos para aços de construção mecânica ligados. Para aços de alta temperabilidade como aços para matrizes e ferramentas pode-se utilizar até mesmo o resfriamento ao ar em alguns casos. Quanto maior a temperabilidade menos drástico terá que ser o meio de resfriamento utilizado. Outro problema associado com o resfriamento para a obtenção de martensita é a variação de volume. Sempre que temos transformação martensítica teremos uma variação de volume e esta terá efeitos mais importantes quanto maior for a diferença de temperaturas de um ponto para outro. A diferença de volume entre a estrutura original e a estrutura final martensítica pode conduzir a empenamentos e até mesmo a trincas se as tensões surgidas como conseqüência da variação de volume ultrapassarem o limite de ruptura do material. Quando temos diferenças de velocidade de resfriamento da periferia para o centro, por exemplo, forma-se uma capa de martensita que é dura e frágil e que ao aumentar de volume comprime o núcleo. Quando o núcleo por sua vez se transforma, este expande e provoca o aparecimento de tensões sobre a capa externa endurecida, podendo produzir trincas na peça. 2.8 Revenido Um dos grandes problemas relacionados com o tratamento térmico de têmpera está relacionado com a baixa ductilidade e a baixa tenacidade do material após o tratamento. Embora tenhamos um significativo ganho na resistência mecânica e na dureza, fatores primordiais quando se quer reduzir o peso da peça ou evitar o desgaste superficial, a ductilidade cai quase a zero. Como a utilização 14 O meio de resfriamento mais utilizado é uma mistura de sais fundidos que pode ser composto por nitrito e nitrato de sódio e nitrato de potássio. Pode ser também adicionada uma pequena quantidade de água. O tratamento de austêmpera é um tratamento térmico usualmente utilizado em substituição à têmpera quando se tem por objetivo melhorar as propriedades mecânicas do aço, principalmente a ductilidade e a tenacidade, diminuir a possibilidade de aparecimento de trincas e de empenamentos e ainda melhorar a resistência ao desgaste e a possibilidade de fragilização para determinadas faixas de temperatura. As diferenças fundamentais entre a austêmpera e a têmpera podem ser vistos na tabela , onde são comparadas as propriedades finais para diversos casos. Tabela 1 - Propriedades mecânicas para um aço ABNT 1095 Tratamento Térmico Dureza - HRC Tenacidade – J Alonga-mento % Temperado em água e revenido 52,5 19 --- Martêmpera e revenido 52,8 33 --- Austêmpera 52,5 54 8 Como podemos ver a austêmpera propicia uma maior tenacidade e uma maior ductilidade do que a têmpera e a martêmpera para uma mesma dureza, além de diminuir o aparecimento de trincas e de empenamento nas peças. Embora este tratamento permita propriedades melhores do que a têmpera ele não é corriqueiramente utilizado. Isto se deve ao fato de que não são muitos os aços em que podemos utilizar a austêmpera. A decisão de utilizar um tratamento ou outro vai depender da posição do joelho da curva TTT, da velocidade de resfriamento, do tempo necessário para a transformação e da temperatura de início de formação da martensita. Além disso, devido à baixa velocidade de resfriamento propiciada pelo sal fundido as peças não podem ter grande secção como acontece na têmpera. O seu custo é maior devido à utilização de mais equipamento e o tempo de transformação deve ser equivalente ao tempo gasto no revenido ou menor para que seja viável. Deste modo os aços que são utilizados no processo devem se enquadrar nos seguintes tipos: - Aços ao carbono com 0,5 a 1,0% de carbono e com um mínimo de 0,6,% de Mn; - Aços ao carbono com mais de 0,9% de carbono e pouco menos de 0,6 % de Mn; 15 - Aços carbono com menos de 0,5 % de carbono e com manganês entre 1,0 e 1,65 %; - Alguns aços ligados com mais de 0,3% de carbono. 16 3 ENDURECIMENTO SUPERFICIAL - PROCESSOS TERMOQUÍMICOS Os processos de endurecimento superficial são processos que visam a obtenção de peças de aço dotadas de uma fina camada superficial de elevada dureza, mantendo ao mesmo tempo um núcleo com dureza relativamente baixa. Como conseqüência teremos uma camada superficial com alta resistência ao desgaste, alta resistência a esforços de compressão e alta resistência à fadiga. Em contrapartida, pelo fato de termos um núcleo de dureza baixa, teremos uma peça com boa tenacidade. Os processos de endurecimento superficial podem ser divididos em duas categorias distintas, aqueles que envolvem alteração da composição química da camada superficial (cementação e nitretação) e aqueles que envolvem o rápido aquecimento e a têmpera posterior desta mesma camada (têmpera por chama, têmpera por indução). 3.1 Cementação O processo de endurecimento superficial de cementação é o processo mais utilizado atualmente e tem permanecido praticamente inalterado ao longo do tempo. Este processo é geralmente utilizado na produção de pistas e roletes de rolamento, engrenagens, buchas e juntas homocinéticas. O método consiste essencialmente no aquecimento da peça envolta em um meio rico em carbono, fazendo com que o carbono difunda para o interior aumentando o teor de carbono da camada superficial. A principal reação, que ocorre entre o carbono e o ferro, e que é a responsável pela difusão do carbono para o interior da peça, pode ser representada da seguinte maneira: 3Fe +C Fe3C Após a difusão do carbono é feita uma têmpera seguida de revenido para que se produza a máxima dureza. Como o processo envolve a difusão do carbono, é necessário que se dê o tempo necessário para que isto ocorra. Tempos crescentes propiciam maiores espessuras das camadas cementadas. Como conseqüência, teremos um perfil de dureza associado ao perfil de concentração de carbono. Os aços comumente utilizados possuem 0,10 a 0,25 % C e a temperatura varia entre 900 e 950o C embora possam ser utilizadas temperaturas na faixa de 850 a 1000o C. 19 Como pode ser visto esta reação libera nitrogênio atômico que difunde para o aço,os tempos de tratamento variam entre 12 e 120 horas. 3.2.1.2 Nitretação por via líquida A nitretação por via líquida é o processo em temos um banho semelhante ao utilizado na cementação líquida. Neste banho teremos, então, cianeto de sódio ou potássio, carbonato de sódio ou de potássio e cloreto de potássio ou de sódio. Este banho contém entre 30 e 40% de cianeto. A dissociação do cianeto se dá da seguinte maneira: 2NaCN + O2 2NaCNO 4NaCNO 2NaCN + Na2CO3 + CO + 2N Normalmente a temperatura utilizada situa-se entre 550° e 570° C. Nesta faixa de temperatura não ocorre a reação de cementação e portanto teremos apenas a adição de nitrogênio ao aço. Os tempos de nitretação são curtos, geralmente entre 1 e 4 horas. 20 4 LISTA DE EXERCÍCIOS 4.1 Qual a diferença entre reações endotérmicas e exotérmicas? 4.2 Porque o ferro pode ser considerado um material alotrópico? Exemplifique. 4.3 Para que servem os tratamentos térmicos? 4.4 Quais são os fatores que podem determinar o sucesso ou fracasso de um tratamento térmico? 4.5 Simule um gráfico simplificado “genéricamente” de Temperatura (T) x Tempo (t) ilustrando os principais fatores que devem ser controlados e/ou observados durante um tratamento térmico. 4.6 Quais são os tratamentos térmicos mais comuns aplicados aos aços? 4.7 Que propriedades podem ser obtidas aplicando-se os seguintes tratamentos térmicos: a)Recozimento Pleno b)Têmpera c)Esferoidização d)Martêmpera 4.8 O que são processos termoquímicos aplicados aos aços? 4.9 Qual a diferença entre cementação e nitretação? 4.10 Quais são as propriedades mecânicas que podem ser trabalhadas, obtidas ou melhoradas aplicando-se um processo de cementação em uma peça de aço? Dê exemplo de peças. 4.11 Quais são as propriedades mecânicas que podem ser trabalhadas, obtidas ou melhoradas aplicando-se um processo de nitretação em uma peça de aço? Dê exemplo de peças. 21 REFERÊCIAS CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. Livros Técnicos e Cientificos Editora S.A. Riio de Janeiro – RJ, 2002. SHECKELFORD, James F.; GÜMES, Alfredo. Introducción a la ciência de materiales para ingenieros. Editora Prentice Hall, São Paulo – SP, 4ª ed., 1998. Van Vlack. Princípio de Ciência dos Materiais. Traduzido pelo Eng. Luiz Paulo Camargo Ferrão. São Paulo: Edgard Blücher Ltda,1977. CHIAVERINI, Vicente. Tecnologia Mecânica. Mc Graw-Hill do Brasil, São Paulo – SP, 1914. FRAINER, Vitor José. Apostila: Princípios de tratamentos térmicos. Fundação Universidade Federal do Rio Grande – RS, 2006.
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