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26/05/2015 1 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf

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Professor: Luis Gustavo Sigward Ericsson

Curso: Engenharia Mecânica

Série: 5º/ 6º Semestre

Ciências dos materiais- 232

Quinta

Quinzenal Semana par

Aula 6 - Tratamentos Térmicos


Glossário

Aula 6 – Revisão

Aços Hipereutetóides

Aços Hipereutetóides

Aços eutetóides

Ferro Puro = até 0.008 wt% C Aço = 0.008 and 2.14 wt% C Ferro Fundido = 2.14 and 6.70 wt% C


Glossário

Aula 6 – Revisão

Ferrita: Ferro no estado alotrópico α, contendo traços de carbono. Possui baixa dureza e resistência à tração, mas elevado alongamento. Magnética até 768ºC.

Cementita: É o carboneto de ferro (Fe3C) contendo 6,67% de C. Dureza elevada, frágil e é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços de alto Carbono, assim como pela sua menor ductilidade.

Perlita: É a mistura mecânica de 88% de ferrita e 12% de cementita, na forma lamelar, dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são, portanto, intermediárias entre as da ferrita e da cementita. Por outro lado as propriedades da perlita dependem muito do espaçamento interlamelar e este por sua vez, da velocidade de resfriamento.

Austenita: Consiste de uma solução sólida de carbono no Ferro γ. Possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade.

Bainita: Apresenta valores de dureza, e resistência a tração, em geral maiores que a perlita, pois suas partículas de ferrita e cementita são menores. Valores médios de 550 a 375 HB

Martensita: É uma fase metaestável composta por ferro que está supersaturada com carbono e que é o produto de uma transformação sem difusão da austenita. A dureza da martensita depende do teor de carbono e dos elementos de liga do aço, sendo que um maior teor de carbono resultará em uma martensita de maior dureza.


Tratamentos Térmicos

Objetivos:

- Remoção de tensões internas

- Aumento ou diminuição da dureza

- Aumento da resistência mecânica

- Melhora da ductilidade

- Melhora da usinabilidade

- Melhora da resistência ao desgaste

Aula 6 – Tratamentos Térmicos




Propriedades mecânicas dos materiais dependem da composição da liga, da estrutura cristalina e das suas condições de fabricação.

Material se [N/mm2] %A

Fe puro (a) 100 62%

Fe - 0,2%C (a + Fe3C) 230 35%

Fe - 0,8%C (a + Fe3C) 450 14%

3 ligas de aço comuns no estado recozido com teores diferentes de C:

Material - 1080 se [N/mm2] %A

Recozido 450 14%

Temperado 1960 1%

Temperado e 880 7%

Mesmo aço eutetóide com 3 tratamento térmicos diferentes:




MATERIAL + TRATAMENTO TÉRMICO

O TRATAMENTO TÉRMICO ESTÁ ASSOCIADO DIRETAMENTE AO TIPO DE MATERIAL.

PORTANTO, DEVE SER ESCOLHIDO DESDE O INÍCIO DO PROJETO


Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos


• Temperatura

• Tempo

• Velocidade de resfriamento

• Atmosfera*

• Elementos de liga

* para evitar a oxidação ou perda de algum elemento químico (ex: descarbonetação dos aços)



Temperatura

Depende do tipo de material e da

transformação de fase ou

microestrutura desejada.

Quanto mais alta a temperatura,

acima da zona crítica, maior segurança

se tem da completa dissolução das

fases na austenita. Por outro lado,

maior será o tamanho de grão.




Tempo

O tempo de tratamento térmico

depende muito das dimensões da peça

e da microestrutura desejada.

Quanto maior o tempo:

• maior a segurança da completa

dissolução das fases para

posterior transformação

• maior será o tamanho de grão

Tempos longos facilitam a oxidação




Velocidade de Resfriamento

Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada.

É o mais importante porque é ele que efetivamente determinará a microestrutura, além da composição química do material.



• Ambiente do forno (+ brando)

• Ar

• Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de Pb)

• Óleo

• Água

• Soluções aquosas de NaOH, Na2CO3 ou NaCl (+ severos)



Meios de Resfriamento


Curvas de Resfriamento




É um compromisso entre:

• Obtenção das características finais desejadas (microestruturas e propriedades)

• Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça

• Sem a geração de grande concentração de tensões


Seleção do meio de resfriamento




Elementos de liga


As adições de elementos de ligas (Cr, Ni, Ti, etc.) trazem alterações no diagrama de fases binário para o sistema ferro-cementita. Uma das importantes alterações é o deslocamento da posição eutetóide em relação à temperatura e à concentração de carbono

900

1100

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

700 727oC 0,76

Aço carbono comum

Aço 2,5% Mn

Aço 0,3% Ti

700oC 0,6

820oC 0,28


Recozimento

Fe 3 C

cementite

1600

1400

1200

1000

800

600

400 0 1 2 3 4 5 6 6.7

L

g

austenite

g +L

g +Fe3C

a

ferrite

a +Fe3C

L+Fe3C

d

(Fe) Co , wt% C

Eutectic:

Eutectoid:

0.76

4.30

727ºC

1148ºC

T(ºC)

O termo recozimento refere-se a um tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura elevada por um período de tempo longo e a seguir é lentamente resfriado. Recozimento é realizado para: (1) Remoção de tensões internas devido aos tratamentos mecânicos (2) Diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade (3) Alterar as propriedades mecânicas como a resistência e ductilidade



Recozimento

Tipos de Recozimento:


Tipo Aplicação

Alívio de tensões Qualquer liga metálica

Recristalização Qualquer liga metálica

Homogeneização Peças fundidas

Total ou pleno Aços

Esferoidização Aços


• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)

• Para recristalização (qualquer liga metálica)

• Para homogeneização (para peças fundidas)

• Total ou pleno (aços)

• Isotérmico ou cíclico (aços)

Homogeneização

900

1100

A1

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

Esferoidização

A3

Acm

700 727oC

0,76

Recristalização

Alívio de tensão


Recozimento

Alívio de tensão








Objetivo: Remoção de tensões internas originadas de processos (tratamentos mecânicos, soldagem, corte, …)

Temperatura: Abaixo da zona crítica (500o C a 650o C)

Resfriamento: Deve-se evitar velocidades muito altas devido ao risco de distorções

900

1100

A1

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

Alívio de tensão

A3

Acm

700 727oC

0,76


Recozimento

Recristalização








Objetivo:

Elimina o encruamento gerado pela deformação à frio ( amolecer e aumentar a ductilidade de um metal).

Utilizado durante procedimentos de fabricação que exigem extensa deformação plástica.

Temperatura: Abaixo da zona crítica (550 oC a 700 oC)

Resfriamento: Lento (ao ar ou ao forno)

900

1100

A1

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

A3

Acm

700 727oC

0,76

Recristalização


Recozimento

Homogeneização








Objetivo:

Melhorar a homogeneidade da microestrutura de peças fundidas através da difusão dos elementos.

Utilizado em aços em lingotes que são difíceis de trabalhar a quente.

Temperatura: Entre 1050 oC a 1200 oC.


Homogeneização

900

1100

A1

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

A3

Acm

700 727oC

0,76


Recozimento

Recozimento total ou pleno








Objetivo:

Amolecer o aço

Regenerar sua microestrutura apagando tratamentos térmicos anteriores

Temperatura:

Hipoeutetóides e eutetóides : 50 oC acima do limite superior da zona crítica (linha A3)

Hipereutetóides: 50 oC acima do limite inferior da zona crítica (linha A1)


900

1100

A1

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

A3

Acm

700 727oC

0,76


Recozimento

Recozimento total ou pleno








Constituintes estruturais resultantes

Observações:

A perlita grosseira é ideal para melhorar a usinabilidade dos aços baixo e médio carbono.

Para melhorar a usinabilidade dos aços alto carbono recomenda-se a esferoidização.


Hipoeutetóide ferrita + perlita grosseira

Eutetóide perlita grosseira

Hipereutetóide cementita + perlita

grosseira

Hipoeutetóide -> ferrita + perlita grosseira

Eutetóide -> perlita grosseira

Hipereutetóide-> cementita + perlita grosseira Ferrite (white) and pearlite in a hot-rolled Fe – 0.2%

C binary alloy Ferrite (white) and pearlite in a hot-rolled Fe – 0.4% C binary alloy

Coarse lamellar pearlite in a hot-rolled Fe – 0.8% C binary alloy

Intergranular proeutectoid cementite and pearlite in a hot-rolled Fe – 1.0% C binary alloy


Recozimento

Esferoidização ou coalescimento








Objetivo Produção de uma estrutura globular ou esferoidal de carbonetos no aço melhora a usinabilidade, especialmente dos aços alto carbono facilita a deformação a frio


Hipoeutetóide ferrita + perlita grosseira

Eutetóide perlita grosseira

Hipereutetóide cementita + perlita

grosseira

Matriz

Ferrita Glóbulos

Cementita


Recozimento

Esferoidização ou coalescimento


Métodos de produção

Ciclo 1 – Aços hipo: aquecimento abaixo

de A1.

Ciclo 2 – Aços hiper: aquecimentos e

arrefecimentos alternados à volta de

A1, o que diminui a estabilidade da

cementita, arredondando-a.

900

1100

A1

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

Esferoidização

A3

Acm

700 727oC

0,76

Alívio de tensão Aços hipo: aquecimento abaixo de A1

•Aços hiper: aquecimento acima de A1ou

aquecimentos e arrefecimentos alternados

à volta de A1, o que diminui a estabilidade

da cementita, arredondando-a.


Normalização


Aços hipo: aquecimento abaixo de A1





Objetivo:

O objetivo é obter uma estrutura homogênea. Reduzir o tamanho de grão da ferrita e da perlita.

Criar uma estrutura favorável para a têmpera (eliminar alinhamento de carbonetos, estruturas aciculares, fibras de laminagem,...).

Processo de

afinamento do

tamanho de

grão.


Normalização







Temperatura:

Hipoeutetóide e eutetóide → 30 oC acima do recozimento pleno

Hipereutetóide→ 50 oC acima do limite superior da zona crítica

Obs: Estágio curto para não aumentar o tamanho de grão.

Resfriamento: Ao ar (calmo ou forçado)

900

1100

A1

500

0,5 1,0 1,5 2,0

q oC

% C

A3

Acm

700 727oC

0,76

Alívio de tensão


Normalização








Hipoeutetóide -> ferrita + perlita fina

Eutetóide -> perlita fina

Hipereutetóide-> cementita + perlita fina

Observação

Em relação ao recozimento a microestrutura é mais fina, apresenta menor quantidade e melhor distribuição de carbonetos

Recozido Completo vs Recozido de Normalização

ε

σ


Têmpera


Objetivo:

Obter estrutura martensítica que promove:

• Aumento na dureza

• Aumento na resistência à tração

• Redução na tenacidade

A têmpera gera tensões → deve-se fazer revenido após a têmpera


Têmpera


http://www2.dbd.puc-

rio.br/pergamum/tesesabertas/0721391_09

_cap_02.pdf

Temperatura:

Superior à linha crítica (A1)

Resfriamento: Rápido de maneira a formar martensíta (ver curvas TTT)

Meio de resfriamento: Depende da composição e espessura da peça

Objetivo: Alivia ou remove tensões

Corrige a dureza e a fragilidade, diminuindo a dureza e aumentando a tenacidade.

SEMPRE acompanha a têmpera


Revenido



Martêmpera


O resfriamento é temporariamente interrompido, criando um passo isotérmico, no qual toda a peça atinga a mesma temperatura. A seguir o resfriamento é feito lentamente de forma que a martensita se forma uniformemente através da peça. A ductilidade é conseguida através de um revenimento final.


Austêmpera


• Outra alternativa para evitar distorções e trincas é o tratamento denominado austêmpera, ilustrado ao lado.

• Neste processo o procedimento é análogo à martêmpera. Entretanto a fase isotérmica é prolongada até que ocorra a completa transformação em bainita. Como a microestrutura formada é mais estável (a+Fe3C), o resfriamento subsequente não gera martensita. Não existe a fase de reaquecimento, tornando o processo mais barato


Martêmpera e Austêmpera


Alternativas para evitar distorções e trincas


Exercícios


1- Monte uma tabela comparando os tratamentos térmicos

discutidos em sala de aula. Devem ser comparadas as aplicação,

níveis de temperatura, resfriamento e quais são os constituintes

estruturais resultantes.

2- Explique por que ao se variar a velocidade de resfriamento

podem ser obtidas microestruturas com diferentes níveis de dureza.

3- Qual a diferença entre a martêmpera e a austêmpera?

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