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Processos Metalúrgicos

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 7-8 – DIAGRAMA TTT E TRATAMENTOS TÉRMICOS

Diagrama TTT (Transformação –Tempo – Temperatura)

Um◦ dos fatores mais importantes queinfluenciam a posição das linhas detransformação, ou seja, a própria transformaçãoda austenita, a velocidade de resfriamento.De◦ fato, se a velocidade aumentar, haverá umafastamento das condições de equilíbrio e asreações de transformação tendem a modificar-se. Como a alteração do reticulado cristalino doferro gama e ferro alfa depende damovimentação atômica, esta não se completa e,em consequência, os constituintes normaisresultantes da transformação da austenita comoa perlita deixam de formar-se ou até mesmo demsurgir novos constituintes estruturais.

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Diagrama TTT◦ O estudo experimental, que pode ser facilmente

reproduzido em laboratório, consiste no seguinte:corpos de prova de aço de dimensões pequenas,para que, quando resfriados a diferentesvelocidades, o resfriamento se dê ao mesmotempo através de toda a sua seção, são aquecidosa temperatura acima da zona crítica, de modo aapresentarem a estrutura austenítica. A seguir,sao rapidamente mergulhados em banho líquido(sal ou chumbo fundido), a temperaturas variáveisabaixo da zona crítica. São mantidos a essastemperaturas durante os tempos necessários paraque a austenita se transforme nos produtosnormais (ferrita mais perlita, somente perlita, ouperlita mais cementita)

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Diagrama TTTCom◦ os dados obtidos,pode-se construir odiagrama temperatura -tempo. Esse diagrama échamado transformaçãoisotérmica.

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% d

a γ

tran

sfo

rmad

a em

p

erlit

a

Tempo (s)

10 102 103 104 105

100

50

0Ttrans = 675ºC

Austenita instável

Austenita estável

Perlita

675650

Temperatura eutetóide(727 ºC)

Final da transformação

Ttrans = 650ºC

10 102 103 104 1051

Tem

per

atu

ra (

ºC)

700

600

500

400

Curva de início (~0% de perlita)

Curva 50% de conclusão

Curva de conclusão (~100% de perlita)

1Início da transformação

?

Aço EUTETÓIDE

Tempo (s)

Diagrama TTTNa◦ faixa superior de temperatura, o início datransformação da austenita (curva I) é lento,assim como o fim. A estrutura resultante éperlita, de granulação grosseira, chamadaperlita grossa, com baixa dureza, variável de 5 a20 Rockwell C, os valores mais elevadoscorrespondendo aos níveis mais baixos detemperatura;

◦ À medida que a temperatura decresce, ademora para início e fim de transformação émenor; a granulação da perlita vai se tornandomais fina, originando-se a estrutura chamada"perlita fina", com dureza cada vez maiselevada. Os seus valores podem chegar a 40-45Rockwell C;

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Transformação austenita → perlita

Perlita grosseira

Austenita (estável) 727 ̊C

Perlita fina

C DB

TEM

PER

ATU

RA

(⁰C

)TEMPO (s)

700

600

500

1 10 102 103 104 105

1 s 1 min 1 h 1 dia

γ

γ

γ

γ

γ

γ

A

Diagrama TTT◦ Em torno de 550°C (aço eutetóide), ocorre o

menor tempo para início e fim de transformação.Esse ponto corresponde ao chamado "joelho" ou"cotovelo" das curvas em C.

◦ A partir dessa temperatura começa novamente aaumentar o tempo para a transformação daaustenita iniciar-se e completar-se; surge, nasfaixas de temperaturas correspondentes, um novoconstituinte a "bainita" (em homenagem a Bain)completamente diferente de perlita. Trata-se deuma estrutura cujo aspecto varia desde umagregado de ferrita em forma de pena e umcarboneto muito fino (em torno de 450°C), até umconstituinte em forma de agulhas (em torno de200°C), com coloração escura. A dureza desseconstituinte é elevada, variando de 50 a 60Rockwell C;

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Bainitainferior

Bainitasuperior

B

P

A

A

A B+

A + P

A

Perlita fina

Perlita grossa600

700

500

400

300

200

1 10 102 103 104 105

TEM

PER

ATU

RA

(⁰C

)TEMPO (s)

?

: Austenita

: Perlita

: Bainita

A

B

P

727 ºC

Diagrama TTT◦ Finalmente, nos níveis mais baixos de

temperatura, na faixa aproximada de 200°Ca 100°C, ocorre uma nova transformação, aqual independe do tempo, como as linhashorizontais Mi e Mf estão indicando. Surgemais um novo constituinte a "martensita"cuja formação brusca começa na linha Mi etermina na linha Mf. Esse constituinteapresenta-se em forma de agulhas, comcoloração clara. Sua dureza é muito elevada:65 a 67 RC.

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TEM

PER

ATU

RA

(⁰C

)

800

700

600

500

400

300

200

100

1 10 102 103 104 105

TEMPO (s)

B

P

B

P

AA

A

A

M

M

M

(início)

(50%)

(90%)

+

+

727 ºC

A

B

P

M

: Austenita

: Perlita

: Bainita

: Martensita

Diagrama TTTSabe◦ -se que a estrutura cristalina damartensita é tetragonal compacta enão cubica. Essa estrutura está sujeitaa elevadas microtensoes e apresenta-se supersaturada de carbono.

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Diagrama TTT◦O diagrama ao ladocorresponde a um açohipoeutetóide.

◦Observa-se uma nova curvaFi; ela indica que natransformação da austenita,forma-se em primeiro lugarferrita.

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Diagrama TTT◦O diagrama ao ladocorresponde a um açohiperutetóide.

◦Observa-se uma nova curvaCi que indica natransformação da austenita,forma-se inicialmente acementita.

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Diagrama TTT◦A figura refere-se a um açocom 0.37%C, 0,68%Mn e3,41%Ni.

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Diagrama TTT◦A figura indica um açocontendo 0,42%C, 0,78%Mn,1,79%Ni, 0,80%Cr e 0,38%Mo.Note-se o efeito doselementos de liga na forma eposição das curvas.

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Diagrama TTT◦A figura mostra o aspecto dascurvas para um ferro fundido decomposição equivalente a3,75%C, 290%Si, 0,55%Mn,0,40%P e 0,065%S.

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Diagrama TTTResfriamento Contínuo

◦ Na prática, a grande maioria das operaçõesde tratamento térmico aplicada nas ligasferrosas, consiste em resfriamento contínuo.

◦ Desenvolveram-se os diagramas pararesfriamento contínuo, obtidos porintermédio da mesma técnica utilizada notraçado das curvas isotérmicas, ou seja, emvez de detectar-se as estruturas obtidas porresfriamentos bruscos em vários níveis detemperaturas, os corpos de prova sãodeixados resfriar continuamente e oresfriamento é interrompido às temperaturasescolhidas.

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TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

800

700

600

500

400

300

200

100

1 10 102 103 104 105

TEMPO (s)

M

M

(início)

(50%)

(90%)

TRCTTT

M

III

727 ºC


As◦ curvas obtidas têm a formarepresentada na figura, nota-seque, como seria de esperar,somente podem ser traçadascurvas na parte superior dodiagrama, correspondente àformagão das várias formas deperlita.

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◦Abaixo do joelho ou cotovelo nãoexistem curvas para resfriamentocontínuo, não sendo possível, pelomenos para os aços-carbono, obter-seestrutura bainítica.

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Tem

per

atu

ra (ºC

)

Tempo (s)

700

600

500

400

300

200

100

1 10 102 103 104 105

M

M

M

(início)

(50%)

(90%)

35 ºC/s140 ºC/s


Para◦ aços liga como o 4340, é possívelobter estrutura bainítica comresfriamento contínuo, como mostrao diagrama.

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TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

800

700

600

500

400

300

200

100

1 10 102 103 104 105

TEMPO (s)

106

Austenita → Martensita

Austenita → Bainita

Joelho da bainita

Taxa de resfriamento

crítico

Temperatura eutetóide

Austenita → Perlita

M M+B M+F +B

M+F +P+B

F +P

M (início)


◦ A estrutura martensítica é,contudo, formada da mesmamaneira que para resfriamentoisotérmico.

◦ As curvas superiores dodiagrama para resfriamentocontínuo assemelham-se àscurvas para resfriamentoisotérmico, apresentando apenasum ligeiro deslocamento parabaixo, como é demonstrado.

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Diagrama TTTEfeito da Seção das Peças

Ao◦ tratar-se termicamente peças metálicas, as condiçõesou velocidades de resfriamento são diferentes através desua seção: obviamente, as camadas superficiais resfriammais rapidamente, o contrário acontecendo com o seunúcleo.

Assim◦ sendo, as transformações da austenita podem darorigem a produtos diferentes no centro das peças, emcomparaçao com sua superfície

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Diagrama TTTFatores que Influem nas linhas em C

Da◦ mesma maneira qua ocorre com as linhas de transformaçãoou zona crítica do diagrama de aquilíbrio Fe-C, a posição daslinhas em C do diagrama de transformação isotérmica éinfluenciada por diversos fatores. Esses fatores são os seguintes:◦ Composição química;

◦ Tamanho de grão;

◦ Homogeneidade da austenita.

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◦Composição química: O carbono e os elementos de liga tendema deslocar as curvas em C para a direita, ou seja, retardar atransformação da austenita.

◦A única exceção conhecida é o cobalto.

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◦ Tamanho de grão: Admitindo-se dois grãos deaustenita de tamanhos diferentes e admitindo-se ainda que a transformação da austenitacomece nos contornos dos grãos e ao mesmotempo, é claro que no grão menor atransformação se completa em um tempomais curto. O tamanho de grão, portanto,tende a deslocar as curvas em C para a direita.

◦ Em princípio, se o tamanho de grão maiorretarda a transformação da austenita, issosignifica que essa condição é mais favorávelnos tratamentos térmicos.

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Homogeneidade◦ da austenita: A austenita, quanto menoshomogenea, ou seja, quanto maior a quantidade de carbonetosresiduais ou de áreas localizadas ricas em carbono, confere atendência de acelerar o início e o fim das reações detransformação, isto é, deslocar as curvas em C para a esquerda.

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Diagrama TTTTemperabilidade

◦ Uma das primeiras conclusões que sepode tirar do estudo das curvasisotérmicas é que a obtenção daestrutura martensítica, extremamentedura e necessária em muitos empregosdos aços em construção mecánica, exigeum resfriamento muito rápido, de modoque a curva de esfriamento não toque acurva de início de transformação ou,quando muito, tangencie. A velocidadeque corresponde a essa curva é chamadade velocidade crítica de esfriamento.

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Diagrama TTTTemperabilidade

Geralmente,◦ entretanto, não basta que setenha a formação da martesita, ou seja,endurecimento do aço, apenassuperficialmente. É necessário que oendurecimento seja profundo ou total àsvárias profundidades abaixo da superfície.Chama◦ -se temperabilidade à capacidade doaço endurecer ou à profundidade deendurecimento.

◦ O conhecimento e a determinação datemperabilidade dos aços são, portanto,muito importantes, pois o que se procura,geralmente, é que o material endureça àmáxima profundidade possível.

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Tratamentos Térmicos◦ As ligas ferro-carbono, antes de serem

utilizadas na forma de peças, são, na maioriados casos, principalmente quando aplicadasem construção mecânica, submetidas atratamentos térmicos ou a tratamentostermoquímicos.

◦ No primeiro caso, visa-se modificar aspropriedades das ligas, sobretudo asmecânicas, ou aliviar as tensões e restabelecera estrutura cristalina normal.

◦ Os aços, dentre as ligas ferrosas, são osmateriais mais comumente submetidos aesses tratamentos.

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Tratamentos TérmicosRecozimento

Seus◦ objetivos são os seguintes:◦ Remover tensões devidas a tratamentos

mecânicos;◦ Diminuir a dureza;◦ Aumentar a ductilidade;◦ Regularizar a textura bruta de fusão;

Eliminar◦ o efeito de quais quer tratamentostérmicos ou mecânicos a que o aço tenha sidosubmetido anteriormente.

◦ A estrutura resultante do recozimento éferrita mais perlita, se o aço forhipoeutetóide, perlita mais cementita, se oaço for hipereutetóide e somente perlita, sefor eutetóide.

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No◦ aquecimento para o recozimento, atemperatura deve situar-se a mais oumenos 50°C acima do limite superior dazona crítica (linha A3) para os açoshipoeutetóides e acima do limite inferiorda zona crítica (linha A1) para os açoshipereutetóides. Nesses últimos aços,procura-se não ultrapassar a linha A3,porque no resfriamento lento que sesegue pode ocorrer a formação, noscontornos dos grãos da austenita, de uminvólucro continuo e frágil de carbonetos,conferindo fragilidade aos aços.

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◦ Para evitar-se o tempo muito longo exigido pelorecozimento, pode-se substituir o recozimentocomum pelo "recozimento isotérmico ou ciclico"em que o aquecimento é realizado nas mesmascondições que no recozi mento comum, mas oesfriamento é dividido em duas etapas:esfriamento rápido até uma temperatura situadana parte superior do diagrama de trans- formaçãoisotérmica, ai permanecendo o material duranteo tempo necessirio para que a austenita setransforme nos produtos normais detransformação; a segunda etapa consiste noesfriamento até a temperatura ambiente, depoisde completada a transformação da primeiraetapa.

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◦Outro tipo de recozimento é o para alivio de tensões, em que oaquecimento é feito a temperaturas abaixo da zona critica. Seuobjetivo é apenas aliviar as tensões originadas em processos deconformação mecânica, soldagem, corte por chama, usinagem,etc.

◦A tabela apresenta alguns exemplos típicos de ciclos derecozimento para alívio de tensões.

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Finalmente◦ , deve-se considerar o"recozimento em caixa" aplicadoprincipalmente em chapas e tiras de açolaminadas a frio; consiste em colocar-seessas peças em recipientes vedados nointerior do fomo. o aquecimento deve serlento e a temperatura varia de 600°C a 700°C

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◦No caso dos ferros fundidos, o recozimento é aplicado quando sedeseja:◦ No ferro fundido branco, reduzir tensões e melhorar as propriedades mecânicas.

◦ No ferro fundido cinzento, melhorar a usinabilidade do material, além de aliviar astensões originadas durante o resfriamento das peças fundidas.

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Tratamentos TérmicosNormalização

◦ Os objetivos danormalização são identicosaos do recozimento, com adiferença de que se procuraobter uma granulação maisfina e, portanto, melhorespropriedades mecánicas. Ascondições de aquecimentodo material são identicas àsque ocorrem norecozimento, porém oresfriamento é mais rápido:ao ar.

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TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

800

700

600

500

400

300

200

100

1 10 102 103 104 105

TEMPO (s)

M

M

(início)

(50%)

(90%)

TRCTTT

M

III

I Recozimento pleno:

Perlita grosseira

II Normalização:

Perlita fina

727 ºC


◦A estrutura obtida é a mesmada obtida no recozimento,porém mais uniforme e fina.

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◦A normalização é ainda utilizada como tratamento preliminar àtempera e revenido, justamente porque, sendo a estruturanormalizada mais homogênea que a de um aço laminado, porexemplo, reduz-se a tendencia ao empenamento e facilita-se asolução de carbonetos e elementos de liga, principalmentequando o aço é ligado.

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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento

◦ O objetivo fundamental da têmpera dasligas ferro-carbono é obter uma estruturamartensítica, o que exige resfriamentorápido, de modo a evitar-se atransformação da austenita em seusprodutos normais.Em◦ resumo: na têmpera, aquece-se o açoacima de sua zona crítica, durante otempo necessário, em função da seçãodas peças, seguido de resfriamentorápido em um meio como o óleo, água,salmoura ou mesmo ar.

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◦No resfriamento que se segue, aestrutura será constituída demartensita e dos mesmos carbonetossecundários, os quais, possuindodureza elevada, não apresentamqualquer inconveniente, pois o que sevisa exatamente na tempera é obter amáxima dureza.

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Admite◦ -se que a martensita apresentauma estrutura tetragonal compacta,resultante de um movimento de átomosem planos específicos da austenita. Essaestrutura, além de estar supersaturadade carbono, pode apresentar particulasde carbonetos grandemente dispersas ecaracteriza-se por estar em estado deelevadas tensões; o reticulado damartensita apresenta-se aindadistorcido.

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◦O estado de altas tensões, adistorção do reticulado e adureza extremamente elevadada martensita constitueminconvenientes que devem seratenuados ou corrigidos. Paraisso, submete-se o açotemperado à operação derevenimento.

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◦ O revenido visa, portanto, corrigir osexcessos da tempera ou, em particular,aliviar, senão eliminar totalmente, astensões e corrigir a excessiva dureza econsequente fragilidade do material,melhorando sua ductilidade eresistência ao choque.

◦ A operação de revenido é realizada noaço temperado, imediatamente após atempera, a temperaturas abaixo dazona crítica. A temperatura seráescolhida de acordo com os resultadosfinais desejados: aliviar apenas astensões ou eliminá-las completamentee produzir redução de certo modoapreciável da dureza.

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Originam◦ -se, conforme as faixas deaquecimento da martensita, trans-formações estruturais, as quaisdeterminam as propriedades finaisdo material.

◦O gráfico mostra o efeito datemperatura de revenico sobre adureza e a resistência ao choque deum aço-carbono temperado.

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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento - Fofo

◦ Objetivam, como no caso de aços, aumentar a resistência mecânica, adureza e a resistência ao desgaste.

◦ O material é aquecido acima da zona crítica, a temperaturas edurante tempos que dependem muito da composição do ferrofundido.

◦ O resfriamento é realizado geralmente em óleo ou ao ar em ferrosfundidos cinzentos altamente ligados.

◦ O revenido, após a têmpera, reduz a fragilidade, alivia as tensões,diminui a dureza e melhora a tenacidade. As temperaturas derevenido variam de 370°C a 600°C, as mais elevadas aplicando-se aferros fundidos cinzentos ligados.

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Tratamentos TérmicosTempera Superficial

◦ Essa operação tem por objetivoproduzir um endurecimentosuperficial, pela obtenção demartensita apenas na camada externado aço.

◦ É aplicado em peças que, pela suaforma e dimensões, são impossíveisde temperar inteiramente, ou quandose deseja alta dureza e alta resistênciaao desgaste superficiais, aliadas a boaductilidade e tenacidade no núcleodas peças.

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Tratamentos TérmicosTempera Superficial – Por chama

◦É um tratamento rápido que, alémdisso, não exige fornos deaquecimento.

Em◦ função da fonte de aquecimento, atêmpera superficial compreende doisprocessos:◦ Têmpera por chama;

◦ Têmpera por indução.

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Tratamentos TérmicosTempera Superficial – Por chama

◦A superfície a ser endurecida é rapidamente aquecida àtemperatura de austenitização por intermédio de uma chama deoxiacetileno e é logo a seguir esfriada por meio de um borrifo deágua.

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Tratamentos TérmicosTempera Superficial – Por Indução

◦ O calor é gerado na própria peça porindução eletromagnética, utilizando-se,para isso, bobinas de indução através dasquais flui uma corrente elétrica.

Pode◦ -se controlar a profundidade deaquecimento pela forma da bobina,espaço entre a bobina de indução e apeça, taxa de alimentação da forçaelétrica, frequência e tempo deaquecimento.

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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos

◦O conhecimento dos diagramas de transformação isotérmicapermitiu desenvolver novos tipos de tratamentos térmicos,visando um deles em particular, a obtenção da estrutura bainita.

◦Os dois tratamentos isotérmicos mais importantes são:◦ Austêmpera;

◦ Martêmpera.

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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Austêmpera

Consiste◦ no aquecimento do aço atemperaturas acima da crítica,seguido de esfriamento rápido demodo a evitar a transformação daaustenita, até o nível detemperaturas correspondentes àformação de bainita. O aço émantido a essa temperatura otempo necessirio para que atransformação da austenita embainita se complete.

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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Austêmpera

◦A bainita é uma estrutura que, de ummodo geral, substitui uma estruturamartensítica revenida.

Entre◦ as vantagens, deve-se mencionar ofato de que as tensões internasresultantes no processo são muitomenores, não ocorrendo praticamentequalquer empenamento das peçastratadas.

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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Martêmpera

◦ Na mantémpera o objetivo é obter martensita,como na têmpera. Entretanto, o tratamento difereda tempera comum, porque, ao atingir, noresfriamento, a lintua Mi de início de formação damartensita, o resfriamento é retardado, de modoa que esta se forme mais lentamente. O meio deresfriamento deve ser mantido a umatemperatura correspondente à linha Mi ou poucoacima. O material é mantido nessa temperatura,durante um tempo suficiente para que ela fiqueuniforme através de toda a sua seção. Emseguida, as peças são resfriadas ao ar.

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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Martêmpera

◦ A formação da martensita se dáde modo uniforme através detoda a seção da peça e evita-seo aparecimento de quantidadeexcessiva de tensões internas.

◦ O tratamento de martêmperadiminui o risco deempenamento das peçasdurante o tratamento.

◦ As propriedades de um açomartemperado e revenido sãoidénticas às de um açotemperado e revenido.

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