feup - processos de ligação de metais (trabalhos práticos)
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Processos de Ligação de Metais Trabalhos práticos
2004/2005
Docente: Miguel Figueiredo
Elaborado por: Paula Susana Silva Ricardo Duarte Pedrosa Ricardo Ivo Moreira Ricardo Faria Gonçalves Rui Miguel Gonçalves
Índice Trabalho Prático Nº1
1. Objectivos.................................................................................................1 2. Características gerais da peça.................................................................2
2.1 Características mecânicas importantes ..............................................2 2.2 Esquema genérico das peças.............................................................3
3. Escolha de processos de soldadura.........................................................4 4. Escolha dos tipos de junta........................................................................5 5. Sequência de montagem..........................................................................6 6. Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento........................................9
Trabalho Prático Nº2
1.Objectivos..................................................................................................1 2. Identificação de características e defeitos nas radiografias .....................2
2.1. Características das radiografias ........................................................2 2.2. Defeitos nas radiografias ...................................................................3
3. Causas e soluções possíveis para os defeitos encontrados ....................4 3.1. Processo Manual ...............................................................................4 3.2. Processo Semi-automático ................................................................6
Trabalho Prático Nº3
1. Objectivo ..................................................................................................1 2. Introdução ................................................................................................1 3. Registo de Procedimento de Soldadura...................................................1 4. Fotomicrografias.......................................................................................3
4.1. Fotomicrografia 1 – Ampliação x88 ...................................................3 4.2. Fotomicrografia 2 – Ampliação x88 ...................................................3 4.3. Fotomicrografia 3 – Ampliação x88 ...................................................3 4.4. Fotomicrografia 4 – Ampliação x88 ...................................................4 4.5. Fotomicrografia 5 – Ampliação x88 ...................................................4 4.6. Fotomicrografia 6 – Ampliação x88 ...................................................4
Trabalho Prático Nº1
Estudo e preparação de trabalho de uma estrutura soldada
Base de uma máquina
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
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1. Objectivos O presente trabalho tem como objectivos principais a preparação e procedimentos para a obtenção da estrutura pedida, para tal foram seguidos os seguintes tópicos:
Sequência de montagem e soldadura; Escolha de processos de soldadura e materiais de adição
adequados; Preparação de juntas com vista á soldadura das diferentes ligações; Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento; Preparar os procedimentos de soldadura (WPS);
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
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2. Características gerais da peça 2.1 Características mecânicas importantes Metal Base: Aço utilizado: RSt 37.2 – designação DIN 17121
Espessura
do Aço (mm) ≤ 3 ≤ 10 ≤ 16 ≤ 40 ≤ 63 ≤ 100
σced [MPa] ≥235 ≥235 ≥235 ≥225 215 215
σr [MPa] 360-510 340-470 340-470 340-470 340-470 340-470
Resiliência [J] - - ≥27 ≥27 ≥27 ≥27
Tipo de Aço Composição Química C (%) P (%) S (%) N (%) Mn (%) RSt 37.2 0,17 0,045 0,045 0,009 1,4
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
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2.2 Esquema genérico das peças
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3. Escolha de processos de soldadura A escolha dos processos de soldadura envolve a análise dos seguintes aspectos:
Composição química do metal base; Número de componentes a soldar e respectiva soldadura; Comprimentos dos cordões de soldadura; Características mecânicas do metal base e do metal de
adição; Acessibilidade do soldador às diversas zonas de soldadura; Custos de cada processo; Facilidade na soldadura;
Neste trabalho propõem-se a utilização dos processos MAG, Arco Submerso e Eléctrodo Revestido. O processo MAG destaca-se por boa velocidade de soldadura, boa penetração e acessibilidade. Através deste processo pode-se obter uma maior rentabilidade (cerca de 80%), boas características mecânicas e uma cadência de produção bastante elevada. A utilização de CO2 como gás de protecção faz com que não exista escória, o que permite uma poupança de tempo do soldador.
Uma das principais vantagens do processo de Arco Submerso é a sua maior rentabilidade (100%) uma vez que é automático. Este é o mais indicado para cordões de soldadura com comprimentos consideráveis. É de salientar a presença de uma taxa de deposição e rendimento térmico elevados.
Quando é necessário soldar em locais de difícil acesso o método mais apropriado é o Eléctrodo Revestido. É de salientar a localizada e rápida fusão que permite uma boa cadência de produção, sendo que esta está directamente ligada à experiência do soldador. Uma vez que a protecção do banho de fusão é feita através do revestimento do eléctrodo vai ser necessária a remoção da escória após a solidificação desta, esta remoção pode ter que ser feita várias vezes durante o processo.
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
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4. Escolha dos tipos de junta Relativamente ao tipo de junta foram considerados os seguintes factores:
Processo de soldadura escolhido; Posição da soldadura; Espessura e grau de penetração pretendido; Tipo do material de base e de adição;
Para facilitar a montagem da tampa, peça numero 5, as peças 6 e 7 foram chanfradas nos cantos, com as medidas 45º x 20.
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Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
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1. Montagem da base
4. Montagem das laterais
2 e 3. Concepção dos topos e travessas
6. Aplicação das travessas
5. Montagem das barras superiores
8. Aplicação da tampa
7. Aplicação dos topos
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
9
6. Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento
O pré-aquecimento tem como função evitar o problema da fissuração. A fissuração ocorre devido a vários factores:
• Composição química do aço; • Procedimento de soldadura usado; • Metais de adição usados; • Solicitações em jogo (rigidez da construção);
Para definir a temperatura de pré-aquecimento é necessário definir os
seguintes parâmetros:
• Carbono equivalente do material;
• Espessura combinada;
• Potencial de H2 do processo efectuado;
• Energia térmica do arco. Cálculo do Carbono Equivalente:
Pode ser obtido pela seguinte expressão:
15CuNi
5VMoCr
6MnCCE ++++++=
Espessura Combinada:
É a soma das espessuras da chapa (numa distancia de 75mm) que
convergem na zona do cordão. Aumentando bruscamente a espessura, a
partir dos 75mm pode ser necessário usar valores da espessura combinada
superiores.
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
10
Exemplo:
Espessura combinada = ½ (t1 + t2 + t3)
• ½ - Caso sejam soldaduras de canto directamente opostas e executadas
em simultâneo
Potencial de H2 do Processo:
São consideradas 4 escalas consoante o teor de H2 depositado pelos
materiais de adição:
• Escala A: > 15 ml/100g
• Escala B: < 15 ml/100g
• Escala C: < 10 ml/100g
• Escala D: < 5 ml/100g
Energia Térmica do Arco:
Calculada através da seguinte expresão:
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Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
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η – Eficiência térmica do processo:
• Arco submerso – 100%
• MIG/MAG – 80%
• TIG – 60%
• Soldadura manual por eléctrodo revestido – 80%
Cálculo das temperaturas de pré-aquecimento para cada tipo de processo
adoptado:
• MAG
CE = 0,4 %
Escala C
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Etapa 1
• Espessura combinada = 50 + 50 = 100 mm
• Pré-aquecimento = 100 ºC
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
12
Etapa 2
• Espessura combinada = ½ (25 + 25 + 10) = 30 mm
• Não é necessário o Pré-aquecimento
Etapa 3
• Espessura combinada = ½ (10 + 10 + 10) = 15 mm
• Não é necessário o Pré-aquecimento
Etapa 6
Vertical:
• Espessura combinada = ½ (25 + 25 + 10) = 30 mm
• Não é necessário o Pré-aquecimento
Horizontal:
• Espessura combinada = ½ (50 + 50 + 10) = 55 mm
• Pré-aquecimento = 75 ºC
Etapa 7
Vertical:
• Espessura combinada = ½ (25 + 25 + 25) = 37.5 mm
• Não é necessário o Pré-aquecimento
Horizontal:
• Espessura combinada = ½ (50 + 50 + 25) = 62.5 mm
• Pré-aquecimento = 100 ºC
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
13
• Arco Submerso:
CE = 0,4 %
Escala C
Ø do material de
adição (mm)
Tensão do Arco (U)
(V)
Intensidade (I)
(A)
Velocidade de
Soldadura (v)
(cm/min)
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Etapa 4
• Espessura combinada = 50 + 50 + 25 = 125 mm
• Não é necessário o Pré-aquecimento
Etapa 5
• Espessura combinada = 50 + 50 + 25 = 125 mm
• Não é necessário o Pré-aquecimento
Etapa 8
• Espessura combinada = 12 + 50 = 62 mm
• Não é necessário o Pré-aquecimento
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº1
14
• Eléctrodo Revestido:
CE = 0,4 %
Escala B
Ø do material de
adição (mm)
Tensão do Arco (U)
(V)
Intensidade (I)
(A)
Velocidade de Soldadura
(v)
(cm/min)
3.25 23 110 25
* Dados ESAB
mmKJE /485.010*17.411023
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Etapa 9
• Espessura combinada = 12 + 12 + 10 = 34 mm
• Pré-aquecimento = 100 ºC
Trabalho Prático Nº2 Análise de defeitos em juntas soldadas
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº2
1
1.Objectivos O trabalho prático nº2 tem como os objectivos os seguintes tópicos:
Identificar os defeitos presentes nas juntas soldadas; Avaliar esses defeitos, tendo em conta:
o Posição e orientação; o Espessura dos materiais constituintes de junta; o Nível das tensões residuais existentes; o As propriedades dos materiais envolvidos;
Identificar as causas que os possam ter originado;
Sugerir soluções para evitar o aparecimento dos defeitos verificados;
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº2
2
2. Identificação de características e defeitos nas radiografias
2.1. Características das radiografias
Posição de soldadura
Tipos de Chanfro Processo Material Espessura
(mm)
#1 Baixo V Arco semi-automático St 37.2 12
#2 Baixo V Manual St 37.2 12
#3 Tecto V Manual St 37.2 12
#4 Vertical descendente V-30º arco semi-
automático St 37.2 12
#5 Horizontal V Arco semi-automático St 37.2 12
#6 Vertical V Manual Aço tubo 8’’ ≤10
#7 Vertical descendente V Arco semi-
automático Aço tubo 7,1
#8 Vertical descendente V Manual Aço tubo 10
#9 Vertical descendente V Manual Aço tubo 10
#10 Vertical descendente V-30º Manual Aço tubo 5’’ 7,1
#11 Vertical ascendente V Manual Aço tubo 5’’ 7,1
#12 Vertical descendente V Arco semi-
automático Aço tubo 7,1
#13 Horizontal V Manual St 37.2 12
#14 Horizontal V Arco semi-automático St 37.2 12
#15 -------- V --------- Aço 11/30
#16 -------- V Manual ------- 11/30
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº2
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2.2. Defeitos nas radiografias
Radiografias
Defeitos #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #10 #11 #12 #13 #14 #15 #16
Sem defeito aparente x
Falta de Fusão x x x x x x x x x x
Falta de Penetração x x x x x x x x x
Bordos Queimados x x x x
Salpicos x x x x x
Poros Vermiculares x x x x x x
Porosidade x x x x x
Inclusões x x x x x x
Fissuras Longitudinais
e Transversais
x x x x x x
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº2
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3. Causas e soluções possíveis para os defeitos encontrados
3.1. Processo Manual
Causas possíveis Soluções possíveis
Falta de Fusão
• Técnica de soldadura imprópria;
• Superfície a soldar irregular ou contaminada;
• Chanfro inadequado; • Energia insuficiente; • Preparação da junta imprópria; • Banho de fusão demasiado
largo;
• Escolher outra técnica de soldadura;
• Efectuar uma prévia limpeza química do material base, ou rectificá-lo;
• Efectuar um novo tipo de chanfro;
• Aumentar a tensão do arco ou Diminuir a velocidade de soldadura ou Utilizar um eléctrodo desoxidado;
• Rever a preparação da junta; • Reduzir o balanceamento do
arco ; • Inclinar a buse para a frente
Falta de Penetração
• Intensidade de corrente insuficiente;
• Diâmetro do eléctrodo demasiado grande;
• Velocidade de soldadura demasiado elevada;
• Tipo de chanfro inadequado ou mal executado;
• Tipo de eléctrodo inadequado; • Folga demasiado pequena ou
talão demasiado grande;
• Aumentar a intensidade da corrente;
• Utilizar um eléctrodo com diâmetro mais pequeno;
• Diminuir a velocidade de soldadura;
• Executar outro tipo de chanfro, ou manter o actual executando-o correctamente;
• Escolher outro tipo de eléctrodo; • Aumentar a dimensão da folga
ou diminuir a dimensão do talão;
Bordos Queimados
• Metal base com elevado teor em enxofre;
• Grande comprimento do arco; • Material base oxidado e/ou
com impurezas; • Eléctrodo degradado; • Eléctrodo húmido; • Tipo de eléctrodo inadequado;
• Escolher outro material base que tenha menor teor em enxofre;
• Diminuir o comprimento do arco; • Efectuar uma prévia limpeza
química do material base, ou rectificá-lo;
• Substituir o eléctrodo; • Secar o eléctrodo; • Escolher outro tipo de eléctrodo
Salpicos • Descuidos operatórios; • Intensidade de corrente
elevada;
• Ter maior cuidado na operação de soldadura (requalificação do soldador ou substituição do soldador por um mais qualificado);
• Baixar a intensidade de corrente;
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Porosidade e Poros Vermiculares
• Eléctrodo degradado; • Eléctrodo húmido; • Tipo de eléctrodo inadequado; • Material base oxidado e/ou
com impurezas; • Metal base com elevado teor
em enxofre; • Grande comprimento do arco;
• Substituição do eléctrodo; • Secar o eléctrodo; • Escolher outro tipo de eléctrodo • Efectuar uma prévia limpeza
química do material base, ou rectificá-lo;
• Escolher outro material base que tenha menor teor em enxofre;
• Diminuir o comprimento do arco
Inclusões
• Preparação deficiente das peças;
• Intensidade de corrente incorrecta;
• Efectuar limpeza antes e nos intervalos das soldaduras;
• Proceder ao ajustamento da intensidade de corrente;
Fissuras Longitudinais e Transversais
• Arrefecimento demasiado rápido da junta soldada;
• Temperatura ambiente muito baixa ou peças muito frias;
• Má preparação das peças; • Falta de penetração;
• Manter a circulação do gás até mais tarde, encerrando-a lentamente;
• Efectuar pré-aquecimento das peças e controlar o arrefecimento;
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3.2. Processo Semi-automático
Causas possíveis Soluções possíveis
Falta de Fusão • Banho de fusão demasiado
largo; • Técnica de soldadura errada;
• Aumentar a velocidade de soldadura;
• Diminuir a tensão do arco;
Bordos Queimados
• Metal base com elevado teor em enxofre;
• Grande comprimento do arco; • Material base oxidado e/ou
com impurezas; • Eléctrodo degradado; • Eléctrodo húmido; • Tipo de eléctrodo inadequado;
• Escolher outro material base que tenha menor teor em enxofre;
• Diminuir o comprimento do arco; • Efectuar uma prévia limpeza
química do material base, ou rectificá-lo;
• Substituir o eléctrodo; • Secar o eléctrodo; • Escolher outro tipo de eléctrodo
Salpicos • Descuidos operatórios; • Intensidade de corrente
elevada;
• Ter maior cuidado na operação de soldadura (requalificação do soldador ou substituição do soldador por um mais qualificado);
• Baixar a intensidade de corrente;
Porosidade e Poros Vermiculares
• Limpeza da peça e/ou eléctrodo deficiente;
• Tensão de arco demasiada elevada;
• Distância entre o eléctrodo e peça demasiado elevada;
• Protecção gasosa inadequada;
• Limpar a peça e/ou eléctrodo; • Diminuir tensão do arco; • Aproximar o eléctrodo da peça; • Aumentar caudal de gás de
protecção, efectuar limpeza interior da pistola, usar menor velocidade de soldadura;
Fissuras Longitudinais e Transversais
• Cordão de soldadura demasiado estreito;
• Arrefecimento demasiado rápido da cratera no fim da soldadura;
• Diminuir a velocidade de soldadura;
• Controlar a velocidade de arrefecimento, enchimento adequado das crateras, utilização do passe de peregrino;
Trabalho Prático Nº3 Análise de microestruturas de juntas soldadas
Processos de Ligação de Metais 2004/2005 Trabalho Prático nº3
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1. Objectivo Análise das microestruturas (tipo e forma) de uma junta soldada, utilizando um determinado procedimento de soldadura.
2. Introdução Na operação de soldadura, o material base é sujeito a severas mudanças de temperatura (aquecimentos e arrefecimentos) assim como distorções (eventualmente tensões residuais). Esses acontecimentos formam uma região chamada Zona Afectada pelo Calor (ZAC). As mudanças microestruturais ocorridas nessa área vão depender da composição química e das velocidades de aquecimento ocorridas no ciclo térmico.
Numa junta soldada podem distinguir-se 3 zonas distintas, tal como ilustrado abaixo:
3. Registo de Procedimento de Soldadura Processo de soldadura: MAG com fio fluxado Posição de soldadura: 3 G ascendente (topo a topo na vertical ascendente). Material base: R St 37.2 (DIN 17121); chapa de espessura de 15 mm; composição química típica: 0.17%C máx; 0.05 %P máx; 0.05 %S máx; 0.009 %N máx.
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Material de adição: marca comercial DW 100 (fio fluxado); fornecedor – Electroarco; designação AWS A5.20 E71T-1; diâmetro do fio ∅ 1,2 mm. Nº de passes: 3+1 passe de retoma. Parâmetros de soldadura: Corrente Continua Polaridade do eléctrodo Protecção Gasosa: 100% CO2 Intensidade (Ampere): 160 A Tensão (Volt): 24V Velocidade de Soldadura: 14m/min Croquis da junta e medições de macrodurezas HV5:
Macrografia – Ampliação x2,9
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4. Fotomicrografias
4.1. Fotomicrografia 1 – Ampliação x88
Zona: Zona de metal base não afectado pela soldadura Análise: Observa-se uma estrutura de perlite (área escura) dispersa numa matriz ferrítica (área clara).
4.2. Fotomicrografia 2 – Ampliação x88
Zona: Zona subcrítica da ZAC Análise: Vê-se a transição da zona não afectada, lado direito, (descrita na fotomicrografia 1) para a ZAC (Zona Afectada pelo Calor). O aumento da temperatura durante a soldadura é suficiente para um refinamento do tamanho do grão, existindo ainda perlite e ferrite.
4.3. Fotomicrografia 3 – Ampliação x88 Zona: 3 zonas da ZAC: Zona subcrítica, intercrítica e supercrítica Análise: Nesta fotomicrografia observam-se três zonas, duas na esquerda já descritas nas fotomicrografias anteriores e uma na parte superior direita que atingiu temperaturas do domínio austenítico que deram origem a um grão mais grosseiro.
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4.4. Fotomicrografia 4 – Ampliação x88
Zona: Zona supercrítica (fronteira da ZAC com metal depositado) Análise: Aqui podemos observar a zona de passagem do material base para o material depositado. Esta zona atingiu temperaturas acima da temperatura A3, o que deu origem a grãos de Austenite maiores.
4.5. Fotomicrografia 5 – Ampliação x88 Zona: Zona entre passes Análise: Por ser uma zona em que o metal depositado é novamente aquecido no passe seguinte, há um recozido de normalização que origina uma estrutura ferrítico-perlítica de grão fino. Isto acontece pois o ciclo térmico de temperaturas acima de A3 destrói a estrutura de solidificação do passe anterior.
4.6. Fotomicrografia 6 – Ampliação x88 Zona: Zona do último passe de soldadura Análise: É a zona superior do metal depositado. Observa-se uma estrutura lamelar e grosseira. Isto acontece pois como se trata do último passe a velocidade de arrefecimento do metal depositado é elevada, deste modo não há tratamento térmico, apenas fusão. Tendo por isso o material propriedades mecânicas mais modestas.
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5. Glossário Microestruturas Martensite – apresenta-se sob a forma de agulhas e tem uma dureza elevada. Tem uma estrutura metaestável que consiste numa solução sobressaturada de carbono em ferrite. Bainite – consiste em carbono precipitado entre a ferrite como carbonetos de ferro, devido a velocidades de arrefecimento elevadas, pois não tem tempo de alastrar pela austenite como ferrite intergranular. Perlite – existe no domínio ferrítico-austenitico de uma liga ferro-carbónica. Forma-se quando há um arrefecimento lento. Este permite uma rápida difusão do carbono da ferrite para a austenite e à medida que a temperatura vai baixando, as zonas austeniticas ricas em carbono transformam-se em perlite, obtendo-se uma estrutura mista de ferrite e perlite. Ferrite intergranular – precipita-se nos limites de grão austeníticos e cresce em direcção ao centro de grão. A sua quantidade é determinada pelo tamanho de grão austenítico, pela presença de elementos de liga alfageneos, pela velocidade de arrefecimento e pela presença de inclusões. Ferrite poligonal – Transforma-se a temperaturas elevadas e a sua formação é favorecida em processos com fluxos de energia térmica elevada. Pode precipitar-se nos limites de grão e nas regiões intergranulares. Ferrite acicular – são pequenas lamelas de ferrite com uma relação de comprimento/largura pequena, sem orientação preferencial, o que lhe dá um aspecto de estrutura de dimensão pequena. As lamelas são geradas a temperaturas na ordem dos 800º C nas juntas de grão.
ZAC A zona supercrítica: onde as temperaturas máximas atingidas são superiores a AC3. Quando estas se encontram entre 800 e 1000ºC a zona apresenta um grão refinado, inteiramente transformado em austenite. Quando as temperaturas excedem largamente AC3 a zona apresenta um grão austenítico grosseiro. A zona intercrítica: sujeita a temperaturas máximas situadas entre AC1 e AC3, mas inferiores às de recozido. Apresenta uma enorme transformação de carbono em austenite. O tamanho de grão ferrítico permanece inalterado. A zona subcrítica: sujeita a temperaturas inferiores a AC1 e nela podem-se temperar martensite ou bainite. Verifica-se frequentemente a precipitação de carbonetos e para temperaturas próximas de AC1 pode-se verificar a esferoidização de carbonetos e das lamelas de perlite.