trat termicos - revisado12

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Princípios de Tratamentos Térmicos em Aços e Ferros Fundidos

Autores:

Prof. Telmo Roberto Strohaecker Coordenador do Laboratório de Metalurgia Física - UFRGS

Prof. Vitor José Frainer Laboratório de Ensaios Mecânicos - FURG

Prof. Marco Durlo Tier Laboratório de Tratamentos Térmicos - Unipampa

Princípios de Tratamentos Térmicos em Aços e Ferros Fundidos 2 Sumário

1 Introdução4
2 Estruturas Cristalinas5
2.1 - Reticulado Cristalino5
2.2 - Estrutura Cúbica de Corpo Centrado8
2.3 - Estrutura Cúbica de Faces Centradas9
2.4 - Interstícios9
2.5 - Contorno de grão10
2.6 - Estrutura do Ferro Puro1
3 Diagrama Ferro-Carbono13
4 Microestrutura dos Aços16
4.1 - Aço Eutetóide16
4.2 - Aços Hipoeutetóides18
4.3 - Aços Hipereutetóides18
4.4 - Regra da Alavanca20
4.5 - Classificação das Ligas Ferrosas24
5 Fases Metaestáveis27
5.1 - Reação Martensítica27
5.2 - Reação Bainítica31
6 Diagramas Isotérmicos32
6.1 - Efeito da Temperatura de Transformação da Perlita32
6.2 - Velocidade de Nucleação da Perlita3
6.3 - A Reação Bainítica34
6.4 - Diagrama Isotérmico35
6.5 - Diagramas Isotérmicos de Aços Hipoeutetóides e de Aços Hipereutetóides39
Isotérmicos40
7 Diagramas de Resfriamento Contínuo41
7.1 - Introdução41
7.2 - Comparação entre Diagramas Isotérmicos e de Resfriamento Contínuo41

Pg. 6.6 - Influência do Tamanho de Grão e dos Elementos de Liga nos Diagramas 7.3 - Transformações no Diagrama de Resfriamento Contínuo ............................... 42

7.4 - Propriedades dos Produtos Formados43
8 Tratamentos Térmicos4
8.1 - Objetivos Gerais4
8.2 - Tipos Comuns4
8.3 - Fatores de Influência45
8.4 - Esferoidização48
8.5 - Recozimento49
8.6 - Normalização51
8.7 - Têmpera52
8.8 - Revenido58
8.9 - Tratamentos Isotérmicos60
9 Temperabilidade64
9.1 - Introdução64
9.2 - Definição de Temperabilidade64
9.3 - Fatores que Afetam a Distribuição de Dureza65
9.4 - Ensaio de Jominy68
9.5 - Método de Temperabilidade de Grossmann69
de Grão73
9.7 - Aplicação Prática do Ensaio de Jominy78
10 Endurecimento Superficial - Processos Termoquímicos83
10.1 - Introdução83
10.2 - Cementação83
10.3 - Nitretação91
1 Endurecimento Superficial - Têmpera Superficial97
1.1 - Introdução97
1.2 - Aquecimento Por Chama98
1.3 - Aquecimento por Indução100
Bibliografia105
Apêndice A106

Princípios de Tratamentos Térmicos em Aços e Ferros Fundidos 3 9.6 - Determinação da Curva de Jominy em Função da Composição e do Tamanho Apêndice B ................................ ................................ ................................ 108

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1 Introdução

O ferro é o principal constituinte de uma das ligas mais importantes na engenharia; o aço. O ferro é um metal alotrópico, isto é, apresenta mais de uma estrutura cristalina de acordo com a temperatura. Quando solidifica, a 1538 C, passa a apresentar uma estrutura cúbica de corpo centrado, a fase (delta). Continuando o resfriamento, ocorre uma mudança de fase na temperatura de 1394 C, e o material apresenta uma estrutura cúbica de faces centradas, a fase (gama). Na temperatura de 912 C ocorre um novo rearranjo cristalino e o ferro volta a apresentar uma estrutura cúbica de corpo centrado, a fase

(alfa). Abaixo da temperatura de 768 C (ponto Curie) o ferro possui um comportamento magnético, sem no entanto apresentar qualquer mudança na estrutura cristalina. Todas estas transformações alotrópicas ocorrem com liberação de calor no resfriamento (reações exotérmicas) e com absorção de calor no aquecimento (reações endotérmicas). Evidentemente a quantidade de energia envolvida é bem inferior do que a da transformação de estado (calor latente de solidificação, por exemplo).

A existência destas transformações permite que as propriedades dos aços e ligas ferrosas sejam alteradas através de processos que envolvam aquecimentos e resfriamentos controlados (tratamentos térmicos). Desta forma os aços apresentam-se como uma classe de materiais extremamente versáteis atendendo a um grande espectro de propriedades mecânicas.

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2 Estruturas Cristalinas

2.1 - Reticulado Cristalino Todos os metais, incluindo-se neste caso o ferro puro, possuem o que se convenciona chamar de estrutura cristalina. Para que possamos entender do que se trata vamos considerar uma rede de pontos que se prolonga infinitamente nas três direções do espaço como mostrado na figura 2.1.

Figura 2.1 - Representação de uma rede de pontos que serve de base para o estudo das estruturas cristalinas (6) .

Se todas as retas que formam a rede estiverem regularmente espaçadas em cada uma das direções, os pontos de intersecção estarão também regularmente espaçados e neste caso fica caracterizada uma rede espacial de pontos. Observando-se a figura 2.1 verifica-se que a geometria da rede espacial fica perfeitamente caracterizada empregando-se três vetores para defini-la. Assim, tomando-se por base o comprimento dos três vetores como sendo a, b e c e os ângulos ente estes mesmos vetores como sendo , e tem-se o que se convenciona chamar de constante de rede. Estas constantes nos permitem definir exatamente como os pontos se distribuem no espaço.

Desta forma uma estrutura cristalina, nada mais é do que uma rede de pontos regularmente espaçados com uma distribuição regular dos átomos. Muitos materiais possuem uma distribuição característica e regular dos seus átomos sendo chamados então de materiais cristalinos. Como existe esta regularidade, uma estrutura cristalina de um material não precisa ser representada por todos os seus átomos, mas apenas por um

Princípios de Tratamentos Térmicos em Aços e Ferros Fundidos 6 conjunto de átomos que possam definir a sua distribuição no espaço. Este conjunto de átomos deve ser escolhido de tal forma que uma vez repetidas as suas posições nas três direções do espaço tenhamos a representação de toda a estrutura cristalina do material. A esta pequena porção do reticulado cristalino que tem a propriedade de representar todo o cristal chamamos célula unitária. Uma célula unitária terá sempre associada uma figura geométrica (as distâncias a, b e c e os vetores , e ) e a distribuição característica dos átomos. No estudo das estruturas cristalinas são utilizadas apenas sete figuras geométricas, caracterizando sete sistemas cristalinos e estes produzem um total de apenas quatorze distribuições características dos átomos, produzindo quatorze estruturas cristalinas. Embora alguns materiais possam apresentar distribuições mais complexas, apenas estas quatorze células unitárias são suficientes para permitir o estudo dos materiais cristalinos.

Na figura 2.2 e tabela 2.1 estão apresentados os sete sistemas cristalinos com as suas características geométricas e as estruturas cristalinas geradas a partir dos mesmos.

Figura 2.2 - Representação das diferentes estruturas cristalinas Tabela 2.1 - Classificação das estruturas cristalinas dentro dos sistemas cristalinos

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Sistema cristalino

Parâmetro de rede e ângulo entre os eixos Estrutura cristalina

Cúbico Três eixos iguais em ângulo reto Cúbica simples a=b=c, = = =90 Cúbica de corpo centrado Cúbica de faces centradas

Tetragonal Três eixos em ângulo reto, dois iguais Tetragonal simples a=b c, = = =90 Tetragonal de corpo centrado Ortorrômbico Três eixos desiguais em ângulo reto Ortorrômbico simples a b c, = = =90 Ortorrômbico de corpo centrado

Ortorrômbico de bases centradas

Ortorrômbico de faces centradas

Romboédrico Três eixos iguais, ângulos iguais Romboédrico simples a=b=c, = = 90

Hexagonal Dois eixos iguais a 120 , terceiro eixo a 90

Hexagonal simples

Monoclínico Três eixos desiguais, um ângulo diferente

Monoclínico simples a b c, = =90 , 90 Monoclínico de bases centradas

Triclínico Três eixos desiguais, ângulos desiguais

Triclínico simples

Dentre estes sistemas, os que mais interessam para o estudo dos tratamentos térmicos de aços são o sistema cúbico e o sistema tetragonal. Na figura 2.3 pode-se ver as células unitárias destas estruturas. Por uma questão de simplicidade os átomos em um reticulado cristalino são representados como esferas perfeitas mas isto não implica em diferenças muito grandes em relação ao caso real. Uma representação deste tipo está apresentada na figura 2.4 para as estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas.

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Figura 2.3 - Representação esquemática das células unitárias das estruturas cúbica de corpo centrado, cúbica de faces centradas e tetragonal de corpo centrado (6) .

Figura 2.4 - Representação do modelo de esferas das estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de faces centradas (3) .

Observando-se atentamente estas figuras pode-se retirar outros valores que são úteis para comparação entre as várias estruturas. Os parâmetros característicos mais utilizados são as medidas características dos vetores, chamado parâmetro de rede, o número de átomos por célula unitária, o número de vizinhos que cada átomo possui (átomos que distam entre si dois raios atômicos), chamado número de coordenação e a relação entre o volume ocupado pelos átomos e o volume da célula unitária, chamado de fator de empacotamento.

2.2 - Estrutura Cúbica de Corpo Centrado A estrutura cúbica de corpo centrado é uma estrutura que possui os seguintes parâmetros geométricos: a=b=c e = = =90o . Estes valores fazem com que a célula unitária seja caracterizada pela figura de um cubo. Além disso, os átomos estão localizados nos vértices e no centro da célula, como pode ser visto nas figuras 2.3 e 2.4. Observa-se que os átomos dos vértices tem apenas um oitavo do seu volume ocupando espaço na célula unitária. Neste caso o parâmetro de rede, “ao” representado pelo lado do cubo, vale

43R, o número de átomos por célula unitária é 2 (um átomo correspondendo à soma dos

Princípios de Tratamentos Térmicos em Aços e Ferros Fundidos 9 oito oitavos dos átomos dos vértices e mais o átomo localizado no centro da célula), número de coordenação de 8 e um fator de empacotamento de 0,68, onde R é o raio atômico. Deve ser lembrado que, embora estes parâmetros tenham sido retirados da célula unitária, eles são válidos para toda a estrutura cristalina. Isto significa que, independente da célula unitária escolhida e do átomo tomado como referência, devemos encontrar sempre os mesmos valores.

2.3 - Estrutura Cúbica de Faces Centradas A estrutura cúbica de faces centradas possui os mesmos parâmetros geométricos que a estrutura cúbica de corpo centrado, porém, a distribuição dos átomos é um pouco diferente. Neste caso existem átomos localizados nos vértices e no centro de cada uma da faces do cubo. Isto faz com que os átomos das faces tenham apenas metade do seu volume ocupando espaço na célula unitária. O parâmetro de rede vale 42R, o número de átomos por célula unitária é 4 (um átomo correspondendo à soma dos oito oitavos dos átomos dos vértices e mais três átomos correspondentes aos átomos localizados nas faces), número de coordenação de 12 e um fator de empacotamento de 0,74. Comparando-se o fator de empacotamento das duas estruturas pode-se ver que a estrutura CFC é mais compacta do que a estrutura C, isto é, os seus átomos ocupam de maneira mais eficiente o espaço. Se considerarmos o mesmo raio atômico, pode-se dizer que os átomos organizados segundo uma estrutura CFC ocuparão menor volume o que conduzirá a uma maior densidade.

2.4 - Interstícios Em qualquer estrutura cristalina o fator de empacotamento é sempre menor do que um, isto é, os átomos não ocupam todo o espaço disponível na célula unitária. Este fato implica em que existam espaços vazios entre os átomos da estrutura. Estes espaços vazios recebem o nome de interstícios e exercem um papel muito importante nos tratamentos térmicos dos aços. Normalmente existem vários interstícios em uma estrutura cristalina e quanto menor o fator de empacotamento maior é o volume destinado aos interstícios, embora o tamanho de cada um dependa do raio atômico e da estrutura cristalina. Deste modo uma estrutura CFC possui interstícios maiores do que uma estrutura C, embora o seu fator de empacotamento seja maior. A principal conseqüência disto é que, quando se tiver uma solução em que os átomos do soluto se colocam em posições intersticiais, como é o caso da liga ferro-carbono, a estrutura que tiver os maiores interstícios apresentará uma maior solubilidade do que aquela que possui interstícios menores.

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Figura 2.5 – Comparação entre os interstícios de três Células CFC, C e TCC

2.5 - Contorno de grão Em um material real, não temos uma estrutura cristalina com uma única orientação.

Se observarmos a orientação da estrutura de um material veremos que ela é subdividida em um grande número de zonas, cada uma delas com uma orientação diferente, isto é, cada uma das zonas forma um cristal independente. Estes cristais que possuem uma orientação particular são chamados de grãos. Na figura 2.6 temos uma representação da disposição dos átomos no interior dos grãos. Todos os grãos de uma mesma fase do material possuem a mesma estrutura cristalina, diferindo somente na orientação. A conseqüência desta orientação diferente é que na fronteira entre os grãos existe uma zona de transição entre duas orientações e, por isso, os átomos que fazem parte desta fronteira estão mal organizados e com um nível mais alto de energia. A esta região chamamos de contorno de grão. O contorno de grão exerce um papel importante nas transformações de fase, onde a maior energia dos átomos favorece a nucleação, e na deformação plástica, onde tem a função de restringir o movimento das discordâncias.

Figura 2.6 - Representação da distribuição dos átomos em um material policristalino (15) .

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2.6 - Estrutura do Ferro Puro

2.6.1 - Alotropia Alotropia é a propriedade que têm certos materiais de mudarem de estrutura cristalina dependendo da temperatura em que estiverem. O ferro puro possui esta propriedade, podendo ter os seus átomos organizados em uma estrutura C ou em uma estrutura CFC.

Desde a temperatura ambiente até 912 C o ferro apresenta uma estrutura cristalina C e nestas condições é chamado de ferro . De 912 C até 1394 C apresenta estrutura CFC e é chamado de ferro . Finalmente de 1394 C até o ponto de fusão a 1538 C volta a apresentar estrutura C, sendo chamado de ferro . Estas alterações na estrutura cristalina produzem uma série de implicações tanto nas transformações do ferro puro quanto nas ligas de ferro. Por exemplo, a estrutura C tem um fator de empacotamento de 0,68 enquanto que uma estrutura CFC tem um fator de empacotamento 0,74. Quando o ferro passa de C para CFC a 912 C, esta diferença no fator de empacotamento provoca uma redução no volume e um aumento na densidade.

2.6.2 - Solução do Carbono no Ferro A aplicação mais importante da transformação alotrópica do ferro se encontra nas ligas ferro-carbono. O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os átomos de carbono se colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro. A conseqüência prática deste tipo de solução é que teremos uma liga de baixo custo e com possibilidades de uma grande variação nas propriedades dependendo do teor de carbono e do tratamento térmico utilizado.

Os interstícios variam de tamanho de acordo com a estrutura, isto é, os interstícios da estrutura C são menores do que os da estrutura CFC. Isto significa que de acordo com o tamanho do interstício teremos um menor ou maior espaço disponível para que um átomo de uma solução intersticial venha se colocar naquela posição. Como os átomos que entram em solução são sempre maiores do que os interstícios, cada átomo intersticial produzirá uma certa quantidade de distorção do reticulado cristalino e quanto menor for o interstício maior será a distorção. No caso da estrutura C os raios atômicos máximos possíveis para que não haja distorção correspondem a 0,29R para os interstícios tetraédricos e 0,15R para os interstícios octaédricos, onde R é o raio atômico do átomo que forma a estrutura. Na estrutura CFC estes valores correspondem a 0,23R para os interstícios tetraédricos e 0,41R para os interstícios octaédricos.

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No caso da liga ferro-carbono estes valores correspondem a 0,36 ângstrons e 0,19 ângstrons para a estrutura C, onde o raio atômico do ferro é 1,24 ângstrons, e 0,29 ângstrons e 0,52 ângstrons para a estrutura CFC, onde o raio atômico do ferro é 1,27 ângstrons. Como o raio atômico do carbono é de aproximadamente 0,7 ângstrons é fácil notar que em qualquer situação teremos uma distorção do reticulado sempre que um átomo de carbono se colocar em um interstício. Nas figuras 2.7 e 2.8 é possível observar uma representação desta situação. Quando se forma a solução ferro-carbono os átomos de carbono irão se alojar nos interstícios octaédricos, pois estes propiciam uma melhor acomodação, o que implica em uma menor energia de distorção. Desta forma pode-se entender facilmente que deverá haver uma menor solubilidade do carbono no ferro do que no ferro . No caso do ferro a solubilidade máxima do carbono é de aproximadamente 0,025% em peso ou 0,1% em número de átomos, na temperatura de 727 C, enquanto que no ferro a solubilidade máxima é de 2,1% em peso ou 9% em número de átomos, na temperatura de 1148 C.

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