Temperabilidade e tratamentos termicos

Temperabilidade e tratamentos termicos

Temperabilidade e Tratamentos Térmicos

Influência do tamanho de grão e dos elementos de liga nos diagramas isotérmicos (temperabilidade):

Grão:

Maior o grão  mais para a direita está o cotovelo (maior tempo para o início da transformação).

Isto ocorre porque quanto maior é o grão, menor a área de contorno de grão e, portanto, menor a área de sítios preferenciais de nucleação de novas fases, atrasando as transformações.

Elementos de liga:

Todos os elementos, menos o cobalto, dificultam a difusão dos átomos, deslocando para a direita o cotovelo das curvas de transformação. Assim, as reações são retardadas e as temperaturas de transformação decrescem, inclusive MS. O carbono é o principal elemento, podendo colocar MS abaixo da temperatura ambiente (lembrar a respeito da formação de austenita retida).

Temperabilidade:

Susceptibilidade de endurecimento por um rápido resfriamento.

Capacidade de um aço transformar-se total ou parcialmente de austenita para martensita. Relacionar então o tamanho de grão e elementos de liga com a temperabilidade.

Quando se avalia a temperabilidade de um aço, investiga-se a possibilidade do aço eliminar as reações que são dependentes de difusão como a reação perlítica (eutetóide) e bainítica.

Dureza  formação de martensita  é dependente do diâmetro que afeta a velocidade de resfriamento.

Elementos de liga  efeito  deseja-se ter dureza para componentes de grandes seções. Assim, estes elementos aumentam o tempo para a decomposição da austenita.

Na temperabilidade, deve-se também observar-se a variação de dureza ao longo da peça, bem como ao longo de seções idênticas fabricadas com aços de diferentes composições.

Fatores que afetam a distribuição de dureza:

Experimento  Várias barras de diâmetros diferentes são austenitizados e resfriados rapidamente, fazendo-se medições de dureza ao longo do diâmetro das barras (ver Figuras 1 e 2).

Aços 1045 e 6140 (0,6-0,95%Cr, 0,1-0,15%V, 0,4%C).

Figura 1 - Perfis de dureza em barras de aço SAE 1045 e 6140 temperadas em água.

Figura 2 - Perfis de dureza em barras de aço SAE 1045 e 6140 temperadas em óleo.

Lembrar que a adição dos elementos de liga retardam a difusão e, portanto, as reações que dependem desta. Assim, a temperabilidade do material é maior (menor variação de dureza), ou seja, mais tempo para o material se transformar em martensita. Lembrar também do efeito do meio de resfriamento, o qual afeta a velocidade de resfriamento.

Conclusão: Quedas menos acentuadas de dureza, ao longo da seção da barra, para o aço 6140, devido ao efeito dos elementos de lega. Este efeito é importante quando deseja-se manter uma dureza alta-média para barras de grande diâmetro.

Tratamentos Térmicos: (ver Metals Handbook, vol.4, Heat treating).

Fatores de influência:

Deve-se observar uma série de fatores. Um erro de avaliação produz uma microestrutura diferente com propriedades não desejadas.

1. Temperatura:

Específica para o tratamento térmico que se deseja. Não deve ser excessivamente alta para não promover o crescimento de grão (queda da tenacidade).

2. Tempo:

As reações levam um tempo para ocorrerem. Deve haver a completa homogeneização da estrutura (austenitização). Não deve ser excessivamente longo para não ocorrer o crescimento de grão.

3. Velocidade de resfriamento:

Erro na escolha pode produzir microestruturas diferentes que levam a diferentes propriedades mecânicas. É o mais importante!

Dois pontos  Microestruturas diferentes (martensita)

Trincas e empenamento

4. Proteção das peças:

Acima de 600oC: C(aço) + O2  CO2 Descarbonetação

Camadas descarbonetadas  menor teor de C

Depende: T e t

Menor conteúdo de C  Menor dureza obtida por têmpera.

Proteção  atmosfera neutra (argônio).

Tipos mais comuns de tratamentos térmicos:

1. Esferoidização (coalescimento):

Realizado, principalmente, para aços hipereutetóides com o objetivo de aumentar a usinabilidade ou para aços hipoeutetóides para aumentar a capacidade de conformação a frio. Aços com baixo carbono são raramente esferoidizados para melhorar usinagem, porque estes ficam muito macios e “pastosos”, produzindo cavacos muito longos. Estes aços só serão esferoidizados quando uma severa deformação plástica a frio é necessária.

Deseja-se realizar um processo de usinagem ou conformação a frio de uma peça. O recozimento poderá não baixar a dureza o suficiente.

Pelo menos duas maneiras de ser realizado:

  1. Temperatura logo abaixo da T eutetóide por 8-20 horas com resfriamento ao ar.

  2. Austenitizar e colocar em uma temperatura logo abaixo da T eutetóide por 8-20 horas(ver Figura 3).

Figura 3 - Curva de transformação para o processo de esferoidização.

Microestrutura final  Fundo de ferrita com a cementita e outros carbonetos de elementos de liga na forma esferoidal dispersos na matriz  Esferoidita (ver Figura 4).

Figura 4 - Microestrutura de um aço esferoidizado.

Propriedades mecânicas finais  ótima ductilidade (deformação a frio) e boa usinabilidade.

2. Recozimento:

Aplicado, normalmente, para aços hipoeutetóides. Na verdade, para aços com menos de 0,5%C. Este tratamento tem como objetivo diminuir a resistência mecânica do aço e aumentar a ductilidade. Os aços são então recozidos para aumentar a capacidade de deformação a frio (ver Figura 5), bem como aumentar a usinabilidade (Lembrar do processo de estampagem do cartucho de bala).

Figura 5 - Ciclos de deformação a frio e recozimento (cápsula para cartuchos).

Forma de execução  austenitização seguida por resfriamento lento até a temperatura ambiente (resfriamento ao forno). Este é chamado de recozimento pleno ou convencional (ver Figura 6).

Microestrutura final  perlita grosseira (baixa dureza).

Figura 6 - Curva de resfriamento para o recozimento convencional.

O recozimento pleno é aplicado para peças de baixa e média temperabilidade! Para aços de alta temperabilidade, mesmo com o resfriamento lento (ao forno), outro produtos podem ser formados como perlita fina e até mesmo bainita. Para estes casos, usa-se o recozimento isotérmico (ver Figura 7).

Figura 7 - Curva de transformação de um aço de alta temperabilidade no recozimento.

3. Normalização:

Produz propriedades semelhantes ao recozimento, podendo ser usado adicionalmente para “normalizar” estruturas não homogêneas resultantes de processos de têmpera, conformação e fundição. 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.

O resfriamento da temperatura de normalização é feito ao ar (ver Figura 8). Por incluir um resfriamento mais acelerado do que o recozimento, além de produzir uma perlita mais fina, irá produzir uma diminuição do tamanho de grão, que leva a um considerável aumento de tenacidade.

Figura 8 - Curva de transformação para o processo de normalização de um aço, comparada com a do processo de recozimento convencional.

Normalmente, para ser considerado normalização, deve haver a completa austenitização, isto é, acima de AC3 para aços hipoeutetóides e acima de ACM para aços hipereutetóides.

Propriedades mecânicas  boa ductilidade e baixa dureza, com grande tenacidade.

Lembrar a respeito da perlita fina e grosseira.

Para aços de alta temperabilidade  resfriamento ao ar pode produzir bainita ou mesmo martensita. Portanto, deve-se aplicar um resfriamento mais lento ou mesmo isotérmico.

4. Têmpera e revenido:

Grande aumento de dureza e resistência mecânica. Contudo, deve-se aplicar o revenimento para ganhar-se um pouco de tenacidade de ductilidade. Rápido resfriamento a partir da temperatura de austenitização (ver Figura 9).

Figura 9 - Curva de transformação para o processo de têmpera de um aço.

Questão importante  temperabilidade. Deve-se produzir uma completa austenitização do aço para que dissolvam-se os carbonetos dos elementos de liga e estes possam produzir uma maior temperabilidade ao aço (produção de martensita para todo o aço, inclusive para componentes de grandes seções).

Velocidade de resfriamento  deve ser tal que impeça a formação de qualquer outro produto que não seja martensita e, ao mesmo tempo, a mais baixa possível para evitar trincas e empenamento do material.

Variação da velocidade de resfriamento ao longo da seção da peça  pode produzir outras microestruturas que não martensita, modificando as propriedades mecânicas. Mescla de microestruturas.

Meios de resfriamento  salmoura, água, óleo e produtos sintéticos.

Lembrar da austenita retida!

Revenido

5. Tratamentos Isotérmicos:

5.1 Martêmpera ou têmpera interrompida:

O problema de trincas e empenamentos ocorre devido a grande diferença de temperatura da superfície da peça e o centro. Usando-se a martêmpera, retarda-se o resfriamento logo acima da MS, permitindo a equalização da temperatura ao longo da seção da peça, completando-se após o resfriamento (ver Figura 10).

Figura 10 - Curva de transformação para o processo de martêmpera de um aço.

Deve-se é claro realizar-se o revenimento após a têmpera.

5.2 Austêmpera:

Austenitização e rápido resfriamento até uma temperatura acima de MS e manutenção até completa transformação (ver Figura 11). A microestrutura final é a Bainita. Usa-se um banho de sais fundidos como meio de resfriamento.

Figura 11 - Curva de transformação para o processo de austêmpera de um aço.

Objetivo: Substituição à têmpera ou martêmpera.

Propriedades mecânicas (ver Tabela 1).

Tabela 1 - Propriedades mecânicas para um aço ABNT 1095.

Tratamento Térmico

Dureza (HRC)

Tenacidade

(J)

Alongamento

(%)

Temperado em água e revenido

52,5

19

---

Martêmpera e revenido

52,8

33

---

Austêmpera

52,5

54

8

Problemas da austêmpera:

  • Muito caro

  • Nem todos os aços podem ser tratados.

Aplicação Prática do Ensaio de Jominy

O sistema que descreveremos está baseado no ensaio de temperabilidade idealizado por Jominy e em trabalhos efetuados por diversos pesquisadores americanos e ingleses sobre a influência na têmpera dos aços, do tamanho da peças e do meio de resfriamento.

Utilizando este procedimento se chega a determinar com boa aproximação a dureza de cilíndros de aço temperados, ligando os ensaios de Jominy com os resultados obtidos ao estudar o resfriamento contínuo desde uma temperatura alta, de cilíndros de aço de diversos diâmetros. Admite-se neste caso que a dureza e as propriedades físicas com que fica um aço depois da têmpera efetuada em condições normais é sempre exclusivamente função do processo de resfriamento. Anteriormente foi mencionado que a velocidade de resfriamento de uma peça depende do tamanho da peça, do meio de resfriamento e da temperatura de têmpera. Isto quer dizer que se conhece a dureza que adquire um aço depois da têmpera, quando o resfriamento foi feito de uma forma determinada, conheceremos também a dureza de qualquer ponto ou perfil do mesmo aço que se tenha resfriado de forma análoga, independente de sua posição na peça, da forma e tamanho desta, bem como do meio de resfriamento empregado.

Conhecendo-se as durezas obtidas ao efetuar-se um ensaio de Jominy de um aço e as condições de resfriamento dos diferentes pontos do corpo-de-prova, pode-se conhecer a dureza que se obtém no interior de peças resfriadas nas mesmas condições. Deste modo as curvas de Jominy podem ser utilizadas para se predizer a distribuição de dureza em barras de aço de diferentes dimensões, resfriadas em vários meios de resfriamento. As velocidades de resfriamento nos vários pontos do corpo-de-prova de Jominy podem ser comparadas com as velocidades de resfriamento em barras de vários diâmetros resfriadas em vários meios de resfriamento. Esta comparação pode ser feita pelo uso dos gráficos das figuras 9.10 a 9.17. Estes gráficos são conhecidos como “gráficos de Lamont” e servem para que se possa encontrar as velocidades de resfriamento em diversas posições de uma barra, desde o centro até a superfície, quando resfriada em condições normais, isto é, mergulhando-a totalmente no meio de resfriamento. Uma vez encontrada a velocidade de resfriamento em uma determinada posição da barra poderemos utilizar um gráfico de ensaio de Jominy de um aço específico para sabermos a dureza a ser obtida. Desta maneira poderemos prever o perfil de durezas de uma barra temperada em um meio de resfriamento qualquer, sem que se tenha que recorrer ao corte da mesma.

Tabela de Severidades de têmpera.

Para que possamos entender melhor este procedimento damos um exemplo de aplicação abaixo:

Suponhamos que uma barra de 4,0 polegadas de diâmetro tenha sido resfriada em óleo com agitação boa (H=0,5 da tabela 1). Queremos saber qual dureza será obtida na superfície desta barra se estivermos utilizando um aço SAE 8640. O gráfico de resultado do ensaio de Jominy deste aço pode ser visto na figura 9.18.

O primeiro passo será consultar a figura 9.10 onde obtemos que para uma barra de 4,0 polegadas de diâmetro resfriada em óleo com boa agitação teremos uma velocidade de resfriamento correspondente ao ponto 8/16" do ensaio de Jominy. Consultando-se agora o gráfico de Jominy do aço SAE 8640 obtemos que para o ponto 8/16" teremos uma dureza de aproximadamente 39 HRC. Este procedimento pode ser repetido para os outros gráficos, determinando-se com isso o perfil de durezas da peça com este diâmetro e para as condições de resfriamento dadas.

Figura 9.10 - Velocidades de resfriamento na superfície de barras resfriadas em vários meios de resfriamento(14).

Figura 9.11 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,9R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento(14).

Figura 9.12 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,7R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento(14).

Figura 9.13 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,5R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento(14).

Figura 9.14 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,3R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento(14).

Figura 9.15 - Velocidades de resfriamento em pontos situados a 0,1R abaixo da superfície da barra para vários meios de resfriamento(14).

Figura 9.16 - Correlação entre velocidades de resfriamento de barras cilíndricas e outros perfis, quando resfriados em água parada(14).

Figura 9.17 - Correlação entre velocidades de resfriamento de barras cilíndricas e outros perfis, quando resfriados em óleo parado(14).

Figura 9.18 – Gráfico de resultados de um ensaio de Jominy de um aço SAE 8640. As curvas representam os valores máximos e mínimos permitidos por norma(16).

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