Tratamentodos Aos

.

.

.

. , . .. .

...

"-.-

~

....

,

CENTROOEDESENVOLVIMENTODEPESSOAL

USINAS SIDER~RGIGAS DE MINAS GERAIS SIA

- USIMINAS

DEPARTAMENTO DE RELAOES INDUSTRIAIS

- UDR

DIVISO DE PESSOAL

- URD - URDF

CENTRO DE FORMAO PROFIASIONAL

DEFINIC~ES............................................................

................................................................. ESTRLTURA CRISTALINA .................................................. SISTEMAS E RETICULADOS CRIS?hLI?;OS .................................... ALOTROPIA ............................................................. IMPERFEIES OU DEFEITOS CRISTALINOS .................................. PLASTICIDADE DOS METAIS ............................................... INTRODUO ............................................................ DEFOKMACO ELSTICA ................................................... DEFOWAO PL.STZCA .................................................. RECRISTALIZAO ....................................................... CRESCIHENTO DE GRO ................................................... MEDIDA DO TAMANHO DO GR.40 ............................................. COXENT~IIOSFINAIS .................................................... DUREZA ................................................................ INTRODU~O............................................................ DEFIEICOES E EKS. L10s .................................................. RELAES ENTRE DUREZ.4 E RESISTNCIA A TRAO .......................... COMCL~SOES............................................................ SISTEKA FERRO-CARBONO .......................+......................... O DIAGRArW FERRO-CARBONO ............................................. REAEs INVrlRIkWTES NO SISTEKA ........................................ ESTRUTURA DOS ACOS RESFRIADOS LENTAKENTE .............................. OS ELEMENTOS DE LIGA NOS ACOS ......................................... DISTRIBUIO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AOS ........................... SOLUES SLIDAS .....................................................O AO

.................................... DIFUSO NO FERRO E SUAS LIGAS ......................................... D I A G W S TTT ......................................................... SIGNIFICADO E OBTENCO DE UN DIAGRAU STT ............................. FATORES QUE ALTERM A POSIO DAS CURVAS TTT .......................... CURVAS TTT DE AOS HIPO E HIPEREUTETIOES ............................. . AUSTENITh EEI RESFXIAXNTO CONTINUO ................... TRANSFO~O DD ft4RTENSITh ............................................................ TE.WERABILID!.DE ....................................................... NORMALIZAO DOS . ? L 4TERIAIS ............................................ AOS AO CARBONO ....................................................... AOS LIGADOS .......................................................... AOS KANGANS DE BAIXA LIGA ........................................... AOS DE ALTA VELOCIDADE ............................................. ACOS INOXIDVEIS ...................................................... FERRO FUNDIDO ......................................................... AOS ALTO WGANES ALTSTENTICO ........................................ TX4TAMENTOS TRMICOS ............................................... INTRODUO ............................................................ FATORES DE INFLUENCIA NOS TRATAMENTOS TRMICOS ........................ ... OPERAOES DE TRATAMENTO TERNICO ................................. . . AUSTEMPERA: ........................................................ MARTEMPERA: ........................................................... REVENIXENTO ........................................................... NORKALIZAO: ......................................................... SOLUBILIZAO .........................................................INFLUENCIA DOS ELEMENTOS DE ADIO

66 76 82 82 86 90 90 94 99 103 103 104 105 106 106 109 115 116 116 117

119125 125 126 132 133

~NDICEALFABTICO

........................................ AOS ALTO KANGANES ALSTEET~TICOAOS AO C-ARBONO ....................................................... ACOS DE ALTA YELOCIDAE

:15 103 106 106 104 105 13 125 137 30 54

............................................... AOS INOXIDVEIS ...................................................... ACOS LIG-mOS .......................................................... AOS .?SAN GANES DE BAIXA LIGA ........................................... ALOTR0P:b ............................................................ AGSTHPER: ........................................................... CEMEXTAC.~~............................................................ COHENT~IOS FINAIS .................................................... CONCLGSOES ............................................................CRESCIMENTO DE GRO

.................................................... CURVAS TTT DE ACOS HIPO E HIPEREUTETIDES ............................. DEFIXICOES ............................................................ DEFINICOES E ENSAIOS .................................................. DEFORMAO ELSTICA ................................................... DEFOR.UCO PLSTICA ................................................... DESIDROGENAO: ....................................................... DIAGRAHAS TTT ......................................................... DIFUSO NO FERRO E SGAS LIGAS ......................................... DISTRIBUIO DOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AOS ........................... DUREZA ................................................................ ESTRUTURA CRISTALINA ................................................. ESTRUTURA DOS AOS RESFRI.4DOS LENTAMENTE .............................. FATORES DE INFLVENCIA NOS TRATAKENTOS TERNICOS ........................ FATORES QUE ALTERM A PoSIO DAS CURVAS TTT ..........................

27901 34 17

1 8134

8276

6434

861 117

86

...................................................... IMPERFEICES O ~ I DEFEITOS CRISTALINOS .................................. INFLUENCIA DOS ELEKINTOS DE ADIO .................................... INTRODUC.KO ........................................................ INTRODUO .......................................................... INTRODUO ................................................... IIARTk?iPFRA: ........................................................ HARTENSITA ........................................................... MEDIDA w TAMANHO w GRO ............................................. NOR.WLIZAO DOS .?A TERIAIS ............................................ NORMALIZAO: ......................................................... o Ao ................................................................. O DIAGRAMA FERRO-CARBONO .............................................. OPERAES DE TRATAENTO TRMICO ....................................... OS ELEMENTOS DE LIGA NOS AOS ......................................... PLASTICIDADE DOS METAIS ................................................ PRECIPITAO .......................................................... REACES INVARIANTES NO SISTEMA ........................................ RECRISTALIZAO ...................................................... RELAES ENTRE DUREZA E RESISTENCIA h TRAO .......................... REVENIMENTO .................................................... SIGNIFICADO E OBTENO DE H DIAGRAHA TTT ............................. SISTEMA FERRO-CARBONO ................................................ SISTE.US E RETICCLADOS CRISTALINOS .................................... SOLUBILIZAO ......................................................... SOLUES SLIDAS ....................................................FERRO -ih?)lDO

109

1366

17

34

11612594

29103

132

355 11964

17134

60

25

52126

8255

8133

65

.................................................. TEELPERMILIDADE ....................................................... TRANSFOWCO DA M S T E X I T A LU RESFRiAM.ENT0 CONTINUO ................... TR-'TAKENTOS TR%ICOS ..................................................TEXPERA S U P E R F I C I A L

135 9990

116

AOS CARBONOAsos ao carbono so ligas de ferro mais carbono, com o teor de variando de 0,008E ate cerca de 2,OZ. carbono

Os asos ao carbono dividem-se em:

A - acos baixo carbono

- aos mdio carbono C - acos alto carbonoB

AOS LIGADOSAos ligados so aos ao carbono aos quais foram adicionados elementos de liga em suas composies, visando melhorar as caracteristicas mecnicas para um determinado fim.

O teor mximo de elementos de ligaso em geral de 6%.

Aos inoxidveis recebem a adio de cromo (Cr) e nquel (Ni), resistirem a corroso, temperatura e corroso a temperatura.

para

Por tratamento trmico entendem-se processos aos quais se submetem os metais no estado sol ido^ a uma ou mais sequencias controladas de aquecimento e resfriamento , a fim de conferir aos mesmos determinadas propriedades fisicas. Por esta definiso, est excludo o aquecimento de metais com a finalidade de trabalhos mecnicos a quente.

a mudana dimensional aue se verifica no material como uma carga aplicada.

resultado

de

Resistencia a carga ou tenso mxima suportada pelo material dentro de determinadas condies. Por exemplo, resistncia elstica, resistencia a ruptura, etc.

TRATAMENTO TRMICO DOS AGOS

iiuctabilidade corresponde a capaciaade de deformado apreciavelmente antes de romper.

um

material

poder

ser

TENACIDADETenacidade corresponde a auantiaade de energia um material, podendo portanto, ser medida pela por uniaade de volume necessario para elevar o ao de uma carga esttica. k tenacidade Joules/m3. necessria para romper quantidade de trabalho, material ruptura sob a pode ser expressa em

ALONGARENTOO alongamento o aumento de comprimento verificado natrao at ruptura do corpo de prova. Se LO O, O comprimento origina:, L' o comprimento final medido, colocando-se os dois pedaos do corpo de prova juntos, o alongamento dado por: L'=

ae

- L0L0

x

100; em percentagem. portanto.

PROCESSO DE OBTENO M I S COMUHO aso e um produto resultante das seguintes fases:Fabricao d o gusa atravs do minrio de ferro.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSUNIDADE 1

Refino do gusa bruto no conversor Bessemer ou a oxignio.

DescarregamentoFigura 2B~~~cscL.~ aiqierrati :sc%~

&zamenfo Z~trjpaagemdc um roov?;ror Brrrrnr;

No conversar a oxignio este gs soprado sobre a superfcie do banho.

TRATAMENTO TERMICO DOS AOSUNIDADE1

Aps refino do gusa, obten-se o aco. e uma v e z controiada a composico qumica e adicionados os devidos elementos de liga, este ao pode ser: Fundido em moides.

modelo de

areis de mldasem

r [

snredo de madeira are&de

T [ Ivazio doalimentador

vario do BMI de wamenro

bacia do canal

bacla do canal

do alimemador

na1de em&

O

mera1 Itquido

pega fundida

TWTAMENTO TRMIGO DOS AOSUMIDPSE i

Lingotaao e r n processo continuo ou convencional para posteriormente larninado.

ser

Por meio de um larninador desbastador

obtemos:

bminados, planos, chapa

Barras &)

a

Perfk estruturais L. U. 5; 1, HTubos sem costuraFigura 4:.& , .

@

..

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSUNIDADE7

Forjado

F

METADE DA

ISURRIOR)

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSESTRVNM CRISTALINA

ESTRUTURA CRISTALINA

.

..

r ..5

0s metais, ao se solidificareg cristalizam, ou seja* os seus tomos que, no estado liquido, estavam s e mov.ipentando e distribudos a esmo, localizam-se e m p o s i ~ e srelativamente definidas e ordenadas, que se repetem em 3 dimenses, formando uma figura geomtrica regular que e o cristal, ., Existem sete sistemas cristalinos: triclinico, ortormbico, hexagonal, trigonal, tetragonal e cbico. monoelinico,

De acordo com a disposio dos tomos, originam-se desses sistemas 14 possiveis distribuies dos referidos tomos, formando os chamados reticulados (reticuios ou redes), designados com o nem; de reticulados Bravais.

.-

Esses 14 reticulados so representados na figura 6. Cada cristal constituido por apenas um determinado grupo chamado clula unitria ou clula cristalina unitria. de tomos

O modelo de cristalizao ppde ser melhor compreendido ao verificar-se o que acontece quando um metal solidifica no interior de um recipiente (fig 7). As principais clulas unitrias que se formam, em pontos diferentes, crescem geralmente pela absoro de outras, at se encontrarem formando um contorno irregular que delimita uma rea onde esto compreendidas milhares daquelas pequenas clulas.

TRATAMENTO TRMIGO DOS AOSESTRUTURA CRISTALINA

.-

- - -- .< ~ -

.

TR#CLINICO

MONOCLIEIICOSIMPLES

..

.

.

-.~. . .

MONQCLINICDE WE CENTRADA. .

ORTORf%BICO SIMPLES

ORTOROMBICO DE BASE CENTRADA

ORTOROMBICO DE FACE CENTRADA

ORTOROMBICO DE CORPO CENTRADO

O

HEXAGONAL

TETRAGONAL SIMPLES

TETRAGONAL DE CORPO CENTRADO

CBICO SIMPLES

CBICO DE CORPO CENTRADO

CUBICO DE FACE CENTRADA

Figura 6

RetuUIrulos cristaiim Brovoir

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSESTRUTURA CRISTALINA

Figura 7 Um conjunto de clulas imitarias forma o cristal com contornos geomtricos, o qual, ao adquirir os contornos irregulares pelo seu crescimento e devido aos pontos de contato de cada conjunto, passa a chamar-se grao. Esses groa so ligados entre si por uma pelcula que geralmente no se considera mais cristalina, como se ver mais adiante. (Fig 8)

Figura 8 Em resumo, cada gro constituido por milhares de clulas unitrias: estas por sua vez, consistem em grupos de tomos que se dispuseram em posies fixas, formando figuras geomtricas tpicas. Essas disposies fixas do, pois, origem aos reticulados ou reticulos, como a figura 6 indicou.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSESTRUTIJRA CRISTALINA

Os principais reticulados cristalinos, segundo os quai cerca tercos dos metais cristaiizam, so indicados na figura 9.

de

dois

CBIM DE FACE ENTRADA

HEXAGONAL COMPACTO

Figura 9 So eles:

- Reticulado cbico centrado, em que os tomos se dispem em vrtices

e no centro de cada cubo. 0s metais que cristalizam nessa forma so: ferro a temperatura ambiente (forma alotrpica alfa), cromo, litio, molibdenio. tntalo, tungstnio e vendio, entre outros. Figura 1 0

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSESTRUTURA CRISTALINA

I

I

Figura 10

R)

-

Reticulado cbico de face centrada, em que os tomos se dispem nos vrtices e nos centros das faces de um cubo. E c cao do ferro acima de 91ZC (forma alotrpica gama), alumnio, cobre, niquel, prata, entre outros:

Figura 11

-

Retculo hexagonal cmpacto, em que os tomos se localizam em cada vrtice e no centro das bases de um prisma hexagonal, alm de 3 outros tomos que se localizam nos centros de 3 prismas triangulares compactos alternados. Os metais cujo reticulado o descrito so, entre outros, o zinco, o magnsio, o cobalto, o cdmio e o berilio. (Figura 12)

TRATAMENTO TRMIGODOS AOSESTRUTURA CRISTALINA

Figura 12ALOTROPIA

Alotropia ou poliniorfismo a propriedade que certos metais, como o ferro, apresentam de possurem reticulaaos cristalinos diferentes, conforme a temperatura. No caso do ferro, por exemplo, aquecendo-se esse metal a cerca de 912"C, o reticulado cbico centrado (CC) passa a reticulado cbico da face centrada (CFC). A primeira frmula alotrpica 1 2 ' C designada por que ocorre na faixa de temperatura ambiente at 9 "alfa" e a segunda forma, que ocorre acima de 91ZDC, chamada "gama". Essa mudanca alotrpica reversvel. prtico, porque a forma alotrpica gama pode dissolver carbono at uma porcentagem de aproximadamente 2%, ao passo que a forma alfa dissolve apenas uma quantidade mnima de carbono, da ordem de O,O2'L a 727*C. Esse fato tem grande significado no tratamento trmico dos aos. Verifica-se, igualmente, durante a transformao alotrpica, mudanas no volume especifico, as quais podem ser positivas ou negativas, no aquecimento ou no resfriamento. As mudanas de volume, na maioria dos casos, so da ordem de i% ou menos.

A alotropia do ferro muito importante sob o ponto de vista

IMPERFEIES OU DEFEITOS CRISTALINOS

PRINCIPAIS IMPERFEIESAs consideraes at agora feitas foram baseadas na existncia de um

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSESTRUWRA CRISTALINA

cristal pereito, ou seja, numa clula unitria ou conjunto de clulas em que os tomos se dispem regularmente, de acordo com os modelos estudados. , . * ., . . . ,---.. , . ,r . '. . . . E comum, por exemplo,;a presana de tomos que :provocam impurezas, o que constitui, de certo modo, uma imperfeio cristalina, embora seja comum adicionar-se propositadamente tomos impuros para modificar as propriedades do metal.

..

As

imperfeirges cristalinas co, em principio, "imperfeies de ponto" e imperfeies de linha". oua

de

dois

tipos:

IMPERFEIES DE PONTO.Correspondem a falta de um ou mais tomos extras ou ao deslocamento de tomos.A ..

presena

de

tomos

mais simples e a "lacuna", a qual se origina quando falta um tomo no reticulado normal. Se faltarem dois tomos, o defeito chamar-se- bi lacuna. Outro defeito de ponto a intersticialidade, que se caracteriza pela ocupao por um tomo de uma posio intersticia1,dentro do reticulado cristalino. Se o tomo, por assim dizer. intruso,. for menor que os tomos restantes do reticulado, o efeito da imperfeii. pequeno; caso contrrio, haver uma distoro atmica.,'

A figura 13 representa os-principais defeitos dc Fonto ..~ . .- . - . . ..

.

Figura 13

IMPERFEIES DE LINHAA mais importante a discorddncia, porque se atribui a esse defeitoa principal responsabilidade pelo fenmeno de escorregamento, segundo o qual a maioria dos metais se deforma plasticamente ou de modo permanente.

Clculos tericos indicam que para se deformar permanentemente um cristal perfeito, o esforo cortante ou de cisalhamento necessrio e muito grande. A figura

14 representa esquematicamente o

processo

de

deformao

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSESTRUTURA GF.IST&LiN&

permanente de um cristal.perfeito.: -

A parte (A) da figura mostra a posio inicial: antes da

aplicao ao esforo de deformao e o deslocamento resultante de um plano atmico do cristal d+:uma distncia intelatcmica peia:aplicao do esforgo de . * - .. cisaihamento. c -

r-=?=-l. .. .. . .,.,

( b -

.

!i

!

-

.

"

?

. .,.'

iI

i

I

;j

..

Figura 14pqlurr 14 h &-4.

*

T, -

e,

drfomp-o pwmnenre num e p r r r a l ~ e i m. . . ..

parte (E) da figura-mostrao re~ultadodo esforo de deformao.

Como a prtica demonstrou que o esforo necessrio para produzir esse deslocamen:o'.de planos atmicos e@-Seiaso-a planos vizinhos muito menor que o previsto pelos clculos tericos, deve-se admitir a presena de uma imperfeiso. Essa imperfeio corresponde a um plano extra de tomos no interior da estrutura cristalina e chamada discordancia de aresta ou plana e est representada esquematicamente na figura 15, onde se nota a presena de uma aresta de um plano extra de tomos, donde a denominao discordancia de aresta.

Figura i5

ESTRUTURA CRISTALINA

A discordncia de aresta acompanhada por zonas

de compresso e de tenso, o que resulta em aumento de energia ao longo da discordncia.

Submetendo-se o cristal da fig 15 a .&-3'6s%&&de cisalhamento suficientemente elevado E perpendicular discordncia se move como mostra e figura 16, ocasionando uma deformao permanente.

'

Em ( A ) da figura, mostra-se o arranjo atmico nas vizinhan~as da discordncia de aresta, antes de se aplicar, o esforo; em (B), indica-se o arranjo atmico, depois de aplcado'o esforo que provocru o movimento da discordncia de uma distncia interatmica; em (C) es. indicado o aspecto do cristal, durante e aps a aplicao do esforce d deformao.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

I

PLASTICIDME DOS METAIS

PLASTICIDADE: MJS:METAIS

-. ..

.

.. .

. . ., ,

Os materiais, quando submetids a um' esforo de natureza mecnica, tandem a deformar-se. Coriforme sua nafureza, o seu comportamento, durante a deformao varia. Assim . que alguns apresentam uma deforma@o elsxica ate ocorrera..sua ruptura. Exemplos: mater'iais plsticos do tipo elastomeros. Outros, como o+ metars a.os polimeros termoplsticos, podem sofrer uma considervel deformao permanente antes da ruptura. Essa deformao permanente precedida pela deformao elstica. Os metais assim se comportam devido a sua natureza cristalina que caracterizada, como se viu,. pela presena de planos de escorregamento ou de menor resistncia mecnica no interior do seu reticulado. Esse caracteristico de deformabilidade permanente muito importante na prtica, pois permite a realizao da conformao mecnica, ou seja, das operaes mecanico-metalrgicas muito empregadas na fabricao de peas metlicas. .... ...~. .

.

.

-

..

A capacidade dos metais poderem ser defoinados definida como plasticidade.

de ~ o d o permanente

No caso da "deformao elstica", representada esquemtcamente numa clula unitria na figura 17, esta muda de dimenses, alongando-se, se o esforo for de trao, ou comprimindo-se, se o esforo for de compresso.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSPLASTICIDME

DOS METAIS

Figura 17 Cessados os esforos, a celula volta a forma e dlmenses originais. Dentro dessa chamada "fase elstica", a deformao proporcional a tenso correspondente ao esforo aplicado; a relaa entre a tenso e a deformao chamada "mdulo de elasticidade" (mdulo de Young) que um caracterstico de cada metal e que, como se viu, uma propriedade no sensvel ? I estrutura.

O mdulo de elasticidade tanto maior quanto maior a fora de atraoentre os tomos.

Ultrapassada a fase elstica ou o limite elstico do metal sob deformao, este deforma-se permanentemente, dentro da chamada fase . . plstica, Um dos significados prticos da deformao plstica j foi visto, ou seja, possibilidade do material se submetido, no estado slido, a operaes de conformao mecnica (laminao, forjamento, estampagem, estiramento etc). Outro significado est relacionado com o quando empregados em estruturas fixas ou sujeitos aos esforos mecnicos normalmente quando em servio (trao, toro etc), carter permanente.A deformao plstica dos metais

comportamento dos metais, mveis, que, ao ficarem presentes nessas estruturas no devem deformar-se em por intermdio de dois

efetiva-se

processos fundamentais:

- Deformao por escorregamento - Deformao por maclao.

T R A T A M E N T O T R M I C O DOS AOSP L A S T I C I D M E DOS META'IS

1I!

OEFORAAO POR ESCORREGAXENTOA deformao por escorregamento resulta oe esforos de cisalhamento. O cisalhamento um tipo de tenso resultante de esforos de trao ou compresso, como mostra claramente a frgura 18.

O escorregamento resultante dessastensec decisalhamento ocorre pelodeslizamento de blocos de cristal, uns sobre outros, ao longo de planos cristalinos definidos, chamados "planos de .escorregamento". numa direo cristalogrfica, chanada .,!'direo de escorregamento". A combinao de um- ,-plano de escorregamento e de uma direo de escorregamento comp6e o chamado "sistema de escorregamento".

Figura 18

&7 . ! : , . - .

multrmtdde ~ f o r ~ a i & n n F d o ~ ~ ~. , L

.

.i

3

.'

~

-.

..

.

ESCORREGAXENTO AEOIANTE nOVlnENTO DE DISCORDANCIAcisalhamento que leva a deformao plstica dos setais faria supor que a resistncia que esses materiais oferecem a deformao deveria ser muito maior do que o que se verifica na prtica. Assim, ao procurar-se uma explicao para esse fato, conclui-se que um mecanismo mais complexo deve estar interferindo. A experincia levou a considerao de um mecanismo envolvendo o movimento de discordncias. De fato, como o deslizamento de planos internos de tomos significaria a ruptura simultnea de um enorme nmero de ligaes atomicas, exigindo foras excessivamente grandes para a deformao, tornou-se mais lgico admitir que o esc~rregamentoocorre em etapas ou degraus, de modo a envolver apenas pequenos segmentos de um plano atmico em cada degrau. A presena ou o aparecimento de discordncia no escorregamento, como mostra a figura 19. cristal permite esseJ foi comentado que o mecanismo simples de

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSPLASTICIDADE DOS METAIS

Figura 1 9DEFORKACO POR MACLAO

A maclao pode ser descrita como o mecanismo por intermdio do qual uma parte do cristal adquire uma orientaso que se relaciona com a orientao do resto do reticulado no maclado de um modo simtrico, resultando, assim, que a parte maclada do cristal uma imagem especular da parte no maclada. As maclas podem ser produzidas por outros mecanismos, alm deformao mecnica, como por exemplo, o recozimento posterior a deformao plstica. da uma

As maclas produzidas por deformao mecnica so chamadas macias mecnicas. As outras so chamadas maclas de recoziaiento. As maclas mecnicas so produzidas em metais com reticuiados cbicos centrados e hexagonais compactos, mediante a aplicaso de carga de choque e temperaturas decrescentes. Alguns exemplos incluem o ferro alfa, o tntaio, metas de reticulados cbicos centrados e o zinco, o cadmio, o magnsio e o titnio, de reticulados hexagonais. Sob certas condies, a formao de maclas acompanhada por um ou srie de estalos, chamados comumente "grito de estanho". Essas maclas podem formar-se em tempo muito microssegundos ou menos. curto, da ordem estalo de

30

Nos metais de reticulados cbicos de face centrada, a maclaZo ocorre somente em circunstncias de temperaturas muito baixas criogenicas e altas velocidades de deformao.

-

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSPLASTICIDADE DOS WETAIS

F i g u r a 20

TRATAMENTO TRWIICO DOS AOSPLASTICIDADE DOS BETAIS

DEFORIIA/;O DOS RETA I S POLI CR I S T A L I HOS

A presena de .q6gtornos de gro interfere, coso seria de prever, no comportamen.to.,,,d.os @tais, quando yujei-tos a :deformago. Assim sendo, nos metais policristalinos, como ocorre geralmente, o tamanho de gro um dos fatores ..$-ortantes a considerar na . s u a deformao plstica, assim como nas suas:$ropriedades mecnicas. Como j se mencionou, o contorno de gro pode ser considerado como uma regio conturbada da estrutura cristalina dos metais. Sua espessura de ap-as elguns dmetros .at-mi-cw.. : . .~ . . . A deformao, quando aplicada nos metais policristaiinos, ocorre no interior dos gros, de acordo com os pricipios j estudados. Ao passar de um gro para outro,, a orientao cristaLogrfica muda abruptadamente. Os gros mais favoravelmente orientados em relao a direo do esforo aplicac&,.defowa-se em primeiro lugar, o que causa um aumento da resistncia para ulterior deformao, devido a um fenmeno chamado e,ncruanre.Qto, que ser estudado mais adiante. Em seguida, deformqm-.se os g r 4 o menos favoravelmeate orientados. A deformao, em geral, no prossegue atravs dos contornos dos gros. Numa primeira aproximaZo, pode-se dizer que essas contornos constituem uma regio de maior resistencia mecnica. I a realidade, pode-se explicar essa maior uesistencia a deformao pelo fato de tratar-se de uma regio extremamente conturbada, devido aQ quase embaralhamento dos tomos provenientes dos reticulados adjacentes ao contorno. A mudana de orientao de um gro pqia outro explica igiialmente a maior resistencia do contorno.;;

Do mesmo modo que a po1icr;isstalinidad confere aumento: de resistencia a deformao, o tamanhode g-ro atua de modo identico, no sentido de que, a medida que diminui o >tanianho d e gro, aumenta a resistncia a deformao mecnica. (Figura 21)

Figura 21

Efeifo do znmmiho de gyfo M m p m de me&,

TRATAMENTO TERMICO DOS AOSPLASTICIDAE LX)S METAIS

De faro. somente a componente da fora paralela ao plano de escorregamento atuante em cada gro eficiente e quanto menor o tamanho de - gro mais - :Sf-rerfuente , mudana da direo de escorregamentu.;e'que +i torna mais difcil a deforma@o.,-

-~.

.

:

:'

' %

Em outras palrvras, seno s contoanos de -:'gros mais resistentes, quanto maior a quantidade. d * . contrrios - u;,seja, quanto menor o tamanho de gro maior a resistencia do metal ao esforo de , deformao. . - . : ~ . . . .. . Contudo a ruptura dos contornos Pbde ocorrer-em determinadas condijes, como por exemplo por ao da corroso.

-

. .. .

... .... O esforo me&nico que l e v a - & - defmaSo e que ,se traduz pela realizao de um trablho mecnifo, - pode ser levado a efeito em condies diferentes de temperatura, desde a temperatura ambiente ati altas temperatura, inferiores.- entr-@tanto, as de fuso dos metais. . . . . Costuma-se distinguira trabalho raecnico a frio do tiabalho mecnico a quente, . por uma temperatura.., indicada como temperatura de recrista:lizao, caracterstica de cada metal e definida como a menor temperatura na qual uma estruturadeformada de um metal trabalhado a frio restztirada-ou -substituida por um estrutura nova, livre de tenses, . ap.s Xpermanenc-ia :nessa temperatura .por um tempo determinado".,

D E F O R ~ A A OA .H?! O E, D Z f O R n ~ OA QUEKTE'

~.

., .

L: deformao~ pSstit~ result-ante do- trabalho mecariico a frio abaixo da temperatura de-zecr.i%tal.fiao ainda q u e superior h ambiente

-

-

provoca o chmado:fenmen de'-encruamento, cujos efeitos so traduzidos por uma deformaoda estrutura cristalina e modificao das propriedades mecnicas do material, efeitos esses tanto mais intensos, quanto maior a intensidade do esforo mecanico a frio. O trabalho a frio produz, pois, uma deformao geral esta demostrado na figura 22. dos gros, como

Figura 22 Os gros alongam-se na direo do esforo mecnico aplicado, menos

TRATAMENTO TERMICO DOS AOSPLASTICLDADE DOS METAIS

intensamente estirado).

(lamnado

a

frio)

ou mais,

intensamente~., . . . . .

(severamente

Como resultado da deformaco mecnica a f r i o intensa, ocorrem apreciveis movi,mentps . das iaperfeies cristalinas, principalmente discordncias, ao,Jongo.dos planos de deslizameato. Forma-se como que um rendilhado triaimensional de discordncias que, juntamente com a distoro dos planos de escorregamento impedidos de avanar pelos contornos dos gros adjacentes,. provoca uma desordem no modelo cristalino narmal,.tornarAp mais difcil o escorregamento ulterior e afetando assim as -proriedades mecanicas. . esse o fenmeno deencruamento.A

tabela i . mostra o eeito-. do encruamento . sobre alguns caractersticos ?~eca~icos .de;.diversos metais e..-ligas metlicas.,

dos

,

EFEITO DO ENCRUAMEN~OSOBRE CARACTERSTICOS MEC&ICOS DE ALGUNSMETAIS E LIGAS

Ao doos Normsl Trabathaio a trio.

9048

Ao ~noxidwil Normal Slmtamenm lanhado

Alumnio

puro

Normal

Sasranenta rrebalhado a frb

Tabela 1 Do mesmo modo que as propriedades mecnicas, certos outros A caracteristicos fsicos so alterados pelo encruamento. condutibilidade eltrica, por exemplo decresce. No estado encruado, verifica-se aumento da energia interna do material,

-

24

-

TRATAMENTO TRM~CO DOS AOSPLASTICIDADE DOS METAIS

o que leva a um+ ciiminui~ogzra? da resistncia a corroso. Em certas ligas, pode-se verificar um fenmeno de fissurao chamado fissurao sob tensao por corros%o. Finalmente, resdta no material encruado um esbado de elevadas tenses internas, explicado pelo aumento c i o nmero :de;discordncias e sua . . interaa. Admite-se, de fato; que um metal no estado normal (recozido; contm cerca de 10' a 10' Oiscordncias por centimetro quadrado, enquanto que um metal severamente encruado contm cer'ca de 1 0 ' ' discordncias por centimetro quadrado.A figura 23repre>f?*ta esquematicamente a variago das propriedades

resis tncia a-Zrago e de ductabilidade (alongamento e funo do encruamento.

estrico) ,

de em

As propriedades e a estrutura do metal alteradas pelo trabalho a frio podem ser recuperadas ou devolvidas ao e5tado anterior ao encruamento mediante um tratamento trmico de recristalizao ou recozimento.

De fato, a medida que se aumenta a temperatura, o estado encruado torna-se cada vez mais instvel: a condio de elevada energia interna tende a desaparecer e o metal tende a voltar a condio livre de energia, resultando num amolecimento (queda de dureza) e inseno

TWTAMENTO TRMIGO DOS AOSPLASTICIDPSE DOS METAIS

paulatina das tenses internas. Na realidade, o processo de recozimento compreende 3 etapas:

- Recuperao - Recristalizao - Aumento do tamanho de gro.O principal efeito de r&uperao o a1 vio d s tenses internas. restaurando-se ao mesmo t,empo certus caracteristicos-fsicos alterados, sem que a microestrutura do metal sofra- qualquer modificao; a condutibilidade eltrica aumenta rapidamente. Embora no haja modificaco estrutural sensvel durante a recuperao, nota-se aparer~temente um pequeno rearranjo das discordncias e configuraes mais estveis, sem muita modificao no nmero total de d~scordnciaspresentes. O alivio de tenses mencionado corresponde principalmente as macrotenses ou seja, as tenses elsticas que xistem, em estado de equilbrio, em grandes reas do metal. Se esso equilbrio e rompido, haver uma redistribuio das tenses, representada, na prtica, por um empenamento. Um tubo estirado a frio, se for cortado, abre no corte, aumentando de dimetro. Metais encruados e aquecidos na faixa de recuperao tratamento trmico conhecido com o nome de recozimento para tenses. sofrem o alvio de

Na etapa da recristalzao, decresce a densidade das discordncias e as propriedades relacionadas com a resistncia mecnica, inclusive a dureza, caem, rapidamente, a ductabilidade melhora e todas as tenses so totalmente eliminadas. A estrutura inteiramente reconstituida (recristalizada)

.

A tabela 2 mostra a temperatura de recristalizao de alguns metais, em comparao com sua temperatura de fuso.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSPLASTICIDADE DOS METAIS

TEMPERATURA DE RECRISTALIZACO DE ALGUNS METAIS

-

Tmprnturz.de r a r i n a i i l - i .Tsmpaarnr.de fumo l b a i o r n aby>lut'r %I

abaixo 0 . 6 0 cama 0.51 abaixo 0 . 5 0

0 . 4 3

0.45

. . . .

. .. .. . .

Tabela 2

CRESCIMENTO DE GFi0

A temperatura continuando a aumentar, os gros cristalinos, agora inteiramente livres de tenses, tendem a crescer. Esse crescimento de gro tambm favorecido pela permanencia de temperaturas acima da de recristalizao. Um excessivo aumento de gro pode afetar as propriedades dos metais, pois, como se viu, gros grandes so desfavorveis. A figura 24 esquematiza o efeito do recozimento sobre a metal encruado. estrutura do

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSP L M I C I D E S E DOS METAIS

Figura 24h fora que leva ao crescimento de gro e a energra que

libertada medida que os atomos se movimentam atravs dos contornos de gro.

a

: e s so Essa movimentao de tomos se d s;perficie cncava onde e mais estveis. Em consequencia, h& uma tendencia do contorno de gro movimentar-se em direo ao centro de curvatura do gro, como a figure 25 mostra esquematicamente.

Figura 25

MOVIMENTO D

YX

ll.l%i

Corbono

Figura 38

- Diagrama de quilibrio Fe-C para feorer de carbono

Observa-se a existencia de 4 fases: as solu~esslidasd Yd e o I f composto intermedirio Fe3C.A fase d a soluo slida de carbono em ferro-d , de estrutura cbica de corpo centrado, chamada +emita. A solubilidade do carbono na os stios ferrita baixa: alguns tomos de carbono ocuparo octadricos da estrutura cbica de corpo centrado. A figura 39 mostra as dimenses relativas dos tomos de carbono e dos stios intersticiais. O tomo de carbono tem um dimetro aparente de 1,541.4. Como o espao livre para acomod-lo de apenas 0,385A, a presenca de um tomo de carbono na rede da ferrita implica na introduo de uma forte deformao na estrutura.

-

enrre 0 5 e 2.115.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSO SISTEMA FERRO-CARBONO

Figura 3 9

- O carbono na estrutura da ferrita: dimenses do sitiointersticial e do tomo de soluto.

A figura 39, mostra ainda a natureza anisotrpica dessa deformao: Dos seis tomos de ferro que envolvem o soluto, quatro esto separados por uma distancia de 1 , 5 7 2 A e os outros dois por 0 , 3 8 5 A . Assim, a forte deformao se concentra ao longo de uma direo. O resultado global que a rede, na vizinhana do tomo intersticial, estar to intensamente deformada que a introduo do outro tomo de carbono s ser possvel a uma longa distancia do primeiro. Resulta disso a solubilidade extremamente baixa do carbono na ferrita: a temperatura ambiente encontra-se um tomo de carbono para cerca de 10' tomos de ferro, o que equivaleria a uma separao mdia de cerca de 100 tomos de solvence entre,um tomo intersticial e outro. A medida que a temperatura se eleva, essa solubilidade aumenta. A variao do teor de carbono na ferrita, com a temperatura, dada pela equao:

IIOnde, Cc R

TRATAMENTO TERMICO DOS AOSO

SISTEMA FERRO-CARBONO

I1

concentrao em tomos de carbono constante uriversai dos gases 2 cal/rn~l/~k T temperatura em graus absolutos=

=

=

A 723OC a concentrao do carbono na ferrita atinge seu valor iguai a O,rS2% em peso. Isso equivale a cerca de un tomo de

mximo, carbono para 1000 tomos de ferro, o que corresponderia a uma separao media de 10 tomos solventes entre os intersticiais. A fig 40 mostra a solubilidade do carbono na ferrita entre a temperatura ambiente 723'C. .. a fig 46.

b/. .

-. .,

.

.

Os

efeitos dos solutcs podem ser assir5 precisados:

Tipo A, Classe I - O soiuto amplia o.dominio de estabilidade da fase abaixando a temperatura de t r a n s f o r m a ~ o a ' t i " r g l ' e : $ / e ~ & a temperatiira.de-transforoia$o a Para teores elevados de soiuto.

r

-f=Zd.

Liquido

Figura 4 6 A fase

-

Esquemas do tipo A e B e das classes I e I1 de equilbrio binrios do ferro.

dos

diagramas

pode ser estvel temperatura ambiente, formando-se o que

TWTAMENTO TRMICO DOS AOSOS ELEMEMOS DE LIGA NOSAPS

chamado "campo 1/ aberto". Exempio: Mn, Ni, Co Tipo A , classe I I - existe tambm uma ampliao c i o campo 8 mas esta ampliao limitada; para teores elevados do soluto ocorre aparecimento de uma segunda fase. Exemplos: Cu, Zn, Au, N , C. o

Tipo 8, classe I - o eiemento de adio reduz o dominio de estabilidade da fase e, finalmente. a suprime, formando-se um "campod fechado": acima de um teor, a liga pode se-encontrar sob a forma em todas as temperaturas. Exemplos: Si, Cr, W, Mo, P, V' Ti, Be, Sn, Sbj AS, A ! Tipo 8, classe I I - ocorre tambm uma contrao do campo , mas a solubilidade restrita do elemento de adio gera o aparecimento de compostos intermetiicos ou soiuces slidas que interrompem aquele dominio. Exemplos: Ta, Zr, B, Ce, Nb. Os efeitos descritos acima no foram ainda expii,cados. Pode-se notar, contudo, que muitos dos esiabilizadores de fase so cbicos de face centrada ( ~ iMn, , Au, Cu) e muitos dos estabilizadores de fase d so cbicos de corpo centrado (Cr, W, Mo, V, Ta, Nb). A figura 47 a 50 mostram alguns dos diagramas binrios importantes do ferro. A utilizao desses diagramas deve ser feita com prudncia, uma vez que mostram somente fases de equilbrio e no caso de um nico elemento dissolvido no ferro. Ora, o ao contm sempre vrios elementos em presenca, que interagem modificando os domnios previstos pelos diagramas binrios. Alm disso, nem sempre se lida com as fases de equilbrio e ser preciso levar em conta as fases metaestveis que se produzem durante a manuteno do ao, a uma temperatura dada- por tempo determinado. Ainda assim, esses diagramas podem fornecer informa6es preciosas e guiarem a interpretao das estruturas encontradas na prtica.

f

TR~TAMENTO TERMICO DOS AOSOS ELEMENTOS DE LIGA NOS ACOS NIIUEL I%EM PESO1

Figura 47

-

Diagraaa d e equilbrio das ligas binrias ferro-

OS ELEWEiiTOS DE LIGA NOS AS

Figtira 48

-

Diagrama de equilibrio das ligas binrias ferro-cromo ( 5 )

TRATAMENTO TRMIco DOS AOSOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AGOS

Figura 49

-

Diagrama de eauilibrio binrio das ligas ferro

TRATAMENTO TERMICO DOS AOSOS ELEMEKFOS DE LIA NOS AGOS

sILc~o [%EM PESO 1

Figura 50

- Diagrama de equilbrio

das ligas ferro-ciiicio

TMTAMENTO TERMICO DOS AOSOS ELEMEWOS DE LIGA NOS AOS

Figura 51

-

Influncia de diversos teores de manganes sobre a

extenso

Figura 52

-

Influencia de diversos teores de cromo sobre a extenso campo austenitico (1).

do

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AOS

Figura 53

-

Influencia de diversos teores de silicio sobre

a

extenso

Figura 54

-

sobre

TRATAMENTO TERMICO DOS AOSOS ELEMEMOS DE L I G A NOS AOS

Figura 55

-

TEOR DE ELEMENTO DE 80l& Influencia de diversos elementos de adio composio e a temperatura eutetides ( 1 ) .

sobre

a

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSOS ELEMEKTOS DE LIGA NOS Aos

I N F L U E N C I ADOS ELEUENTOS DE ADIO SOBRE D D I A G R A M FERRO-CARBONO.A presena de um terceiro elemento no sistema fer.ro-carbonomodifica os

dominios de existencia das fases previstas no diagrama Fe-Fe3C. Em alguns casos foram construidos diagramas ternrios para descrever essas modificaes. E possivel em muitos casos, contudo, trabalhar com diagramas mais,simples e se levar em conta O.efeito dos elementos de adio sobre parmetros de intesesse. Um efeito especialmente importante diz respeito as alteraes introduzidas no domnio de existencia da fase 8. As figuras 54 a 56 mostram essas modificaes para teores variveis do elemento de adio, nos casos do cromo, manganes, silicio e molibdenio. Observa-se que teores crescentes de cromo, molibdenio e silcio elevam a temperatura da reao eutetide, diminuem o tear de carbono da austenita eutetoide e diminuem solubilidade de carbono na austenita. Como resultado, teores crescentes desses elementos reduzem progressivamente a extenso do campo austenitico. A adio de mangans tende a diminuir a temperatura e a composio eutetides.

O efeito dos elementos, individualmente, nos aos de baixa liga, pode ser mais bem visualizado na fig 55, onde so mostradas as variaes datemperaturae composio eutetides em alguns casos importantes.

A difuso no estado slido processo pelo qual se d o transporte de matria dentro da matria, atravs do movimento de tomos individuais com relao ao cristal - tem grande importncia na determinao da estrutura das ligas metlicas.

-

Os movimentos atmicos na difuso dependem do tipo de sistema considerado. No caso dos metais puros ou das ligas substitucionais, este movimento deve conduzir o tomo de uma para outra posio de equilbrio na rede (fig 5 6 ) . Nesse caso, o processo facilitado pela presena de stios vazios - as lacunas na estrutura cristalina: um tomo vizinho de uma lacuna pode saltar para esse sitia vazio, criando-se uma nova lacuna no ponto deixado vago. Um novo tomo pode saltar para essa lacuna e o processo prossegue.

-

i

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSOS ELEMENTOS DE

LIGA NOS AGOS

Figura 56

- Movimento dos tomos na difuso em metais puros e ligassustitucionais: . lacunas. ( a ) .

troca

direta;

: fb>

movimento

de

No caso de ligas intersticiais o movimento do simplesmente pelo saito de um intersticio a outro.

soluto

ocorre

Figura 57

-

Movimento de tomos intersticiasi na difuso.

Influencia da ttmperaturaA difus5o E extremamente sensvel a temperatura: i medida que a temperatura se eleva, cresce a velocidade com que os tomos se movimentam. No processo unitrio da difuso, um tomo, que vibra em torno de sua posio de equilbrio, efetua um salto para outra posi;o. O processo global de difuso o resultado de todos os saltos que ocorrem no cristal, envolvendo assim um grande nmero de tomos. O tempo mdio que decorre entre saltos consecutivos feitos por um tomo dado por:

T M T A M E N T O TRMICO

DOS AOS

OS ELEMENTOS DE LIGA NOS A W S

Onde a exp (- d H/RT) a probabilidade de.queum tomo tenha uma energii AH devido ao movimento trmico, durante. uma vibrao; h H a energia de ativao para o salto; Y e a frequencia de vibrao (nmero de vibraes trmicas por segundo): h o fator de -probabilidade, que inclui as caractoristlcas estruturais do processo; R a constante universal dos gases i= 2 cal/mol 'R) e T a temperatura absoluta do sistema !'K = 'C A 2 7 3 : . :L

h equao (1.1 coloca em relevo a grande influncia da temperatura, mostrando que o tempo mdio entre saltos de um tomo decresce expontaneamente com a temperatura.

O coeficiente de difusoh anaiise matemtica da difuso, como formulada por Fick, estabelece que o fluxo de matria proporcional ao gradiente de concentrao no sistema considerado ( l a Lei de Fdck):

J o fluxo de matria em uma dada direo e pode ser expresso pela massa (ou pelo n e de tomos) que atravessa um plano normal a essa direo, por uniclade de aiea e por unidade de tempo; (dc/dx) & o gradiente de concentrao na direo considerada, a concentrao sendo geralmente expressa em gramas/cm3 (ou nmero de tonos/cm3 1 .A constante de proporcionalidade

"D" o coeficiente de

difuso.

D

geralmente dado em cm2/s. Observe-se que a primeira Lei de Fick, dada pela equao (B), encontra sua aplicao ideal no caso de regime, isto', quando a concentrao em cada ponto invariante com o tempo. Para o caso mais geral em que a concentrao varia com o tempo, o processo de difuso mais adequadamente descrito pela segunda Lei de Fick:

que, quando D constante, fica:

3~-=

D-

$.C

Essas equaes indicam que o fluxo de massa e igual a uma constante D multiplicada pelo gradiente de concentrao. O valor de D caracteriza

TRATAMENTO TRMIGO DOS AOSOS ELEMENTOS DE LIGA NOS AGOS

assim, em cada caso, a maior ou menor facilidade de transporte de matria por por aiiuso. A influncia da temperatura se manifesta tambm aqui, atravs do-grande efeito que exerce sobre o valor de D.. ,.

Observa-se que,.numa aproximao grosseira, o caefidienie de difuso num dado sistema dobra a cada aumento.de vinte graus na temperatura. Xais precisamente, o coeficiente de difuso est relacionado com a temperatura absoluta : pela equao:

D

=

Do EXP - (----I

Q

Onde,

DDo

= = =

Q R T

= =

.. . coeficiente de difuso doelemento (cm2/s) constante, chamada "fator de frequncia" (cm2Js) energia de ativao para a difuso cal/mol) constante universal dos gases (= 2 cal/mol/* k) temperatura em graus absolutos ( = O C + 273).

Alguns dados obre a difuso no ferro so apresentados na tabela 11. Esses resultados so fruto de vrios trabalhos experimentais e devem ser apreciados levando-se em conta as disposies devidas a pureza varivel do ferro e as imprecises inerentes aos vrios processos de medio. Algumas caractersticas gerais podem, contudo ser observadas. Entre elas,:importante.notar que, numa temperatura determinada, os valores do:oeficiente. de difuso so sempre maiores para o f e r r o - d do que para o ferro- )( , o que se deve fundamentalmente a natureza menos Alm disso, compacta da estrutura cbica de corpo centrado (ferro as energias de ativao para difuso so sempre maiores para os substitucionais do que para os intersticiais. Em consequencia, a difuso dos intersticionais ser sempre ordens de grandeza mais rpida do que a difuso dos substitucionais. a uma dada temperatura. Essa diferena de conportamentopreciuz uma importante consequncia prtica: quando se ieva.em conta o tempo geralmente envolvido nas reaes reaces de estado slido dos acos, podem-se aistinguir 3 faixas de temperaturas:

a).

A)

T c -lOOC: os intersticiais, exceto imveis.

o

H

tornam-se praticamente so imveis, os

B) -lOOCC)

< T < * 350C: os intersticiais substitucionais so praticamente imveis. >

T

35OVC: os intersticiais e os substucionais so mveis.

TRATAMENTO TRMIGO DOS AOSOS ELEMENTOS DE LIGO. W S AGOS

DADOS SOBRE A D I F U S O NO FERROSOLYENTE Fe- 6 Fe-tr FeFe- 9: ~ e - 6

FE-r F e $

Fe-d FE-$ FeFe- I( Fe- 4. Fe-d Fe-d?e-d Fe-h ~ e - L Fe-d Fe-6.

Tabela 11

Em um sistema de dois componentes, a composio dc slido difere da composio do liquido a partir do qual est se cristalizando. Assim, em uma liga binria de composio Co, a uma temperatura T1 o slido ter uma composio Cs diferente da composio C1 do liquido com que est em equilbrio.

Figura 57

-

Setor de um diagrama binrio, mostrando- se a diferena de composico entre o slido e o liquido em uma temperatura determinada.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSOS ELEMENTOS DE LIGh NOS AOS

Essa diferena de Coricentrogo ;ez impoctSnc;a decisiva nos processos de soiiaificao ss-ligas metalicas. Um parmerro conveniente para express-la o fator Ko, chamadc coeficiente de distribuio do scluto em equilbrio ( 7 ) :f)

O valor de ko pode ser menor do que 1, como no casa da fig 57 ou maior do que 1, quando as temperaturas dos liquldos e dos solutos cresceremcom o aumento da composio. h tabela 12 d o valor de ka =o caso da solidificago de algumas binrias importantes de ferro. COEFICIENTES DE CISTRIBUIO DO SOLUTO EM LIGAS BINRIAS DE FERRO soLurO Aluminio Boro Carbono Crono Cobal to Cobre Eldrogenia Hanganes Holibdenio Piiquel Nitrogenio Oxigenio Fsforo Silicio Enxofre iitnio Tungstenio Vandio ligas

j

Ko (com Fe; 7 0,92 ! o , 05) 0,13 0,05 0.90 0,56 O,?2

Ho (com Fe-Yj

1

(O,02)

(0, 02) O, 1 40,90 Tabela 12

TRATAMENTO TRMIGO DOS AOS

DIAGRAMAS TTT

SIGNIFICADO E OBTENO DE VM DIAGPAMA T i T

O diagrama TTT (tempo, temperatura, transformao)

de um ao e, de certa forma, um diagrama de fases do ao, porm de fases obtidas pela decomposio isotrmica da austenita. Envolve aspectos ci nticos da formao de fases, enquanto que ui diagrama de equilbrio de fases e um diagrama terntodinn>ico. As curvas ttt de um ao so o lugar geomtrico dos pontos de inicio e de fim de transformao da austenita super resfriada (resfriada abaixo do ponto de equilibrio Arl). Para a obteno destes pontos, aquecem-se pequenas aixostras do ao a uma temperatura em que a austenita seja estvel e resfriam-se rapidamente estas amostras ate uma temperatura abaixo de Arl, por exemplo, 650C. Apos permanecerem nesta temperatura durante tempos bem determinados tl, t2, etc, as amostras so resfriadas em gua a temperatura ambiente. O grau de decomposio da austenita ento deferminado por metalografia das amostras, ou por outros mtodos., obtendo-se os pontos de inicio e de fim de transformao austenita - ferrita + cementita. Repetindo-se o procedimento para outras temperaturas (60f1C, 55f1C, 500aC, etc) se obtm os vrios pontos de inicio e de fim de transformao que, ligados, constituem as curvas TTT do ao. A fig 58 apresenta um diagrama a part.ir das curvas de frao de austenita transformada em perlita (curvas sigmoidais), para cada temperatura.cARACTER ST I CAS DO O I AGRAIUI i r i

O exame do diagrama da fig 58 mostra que existe um perodo inicial, varivel para cada temperatura, durante o qual no ocorre nennuma transformao observvel. Aps este perodo de incubaao e que se detectam os primeiros indcios da transformao austenita d , perlita. Observa-se ainda que o tempo de inicio de transformao austenita - perlita passa por um minimo a uma temperatura en torno de 55f1C para o ao-carbono eutetide), aumentando novamente para temperaturas mais baixas. Este comportamento decorre de uma competio entre os fatores termodnmico e cintico . responsveis pela transformao. Resfriando-se a austenita a uma temperatura T, abaixo de Arl, esta fase se torna termodinmicamente instvel, aumentando estabilidade com o grau de super-resfriamento, isto e, com a diferena entre a temperatura Ar1 e a temperatura T a que foi resfriada a austenita. Esta instabilidade medida pela diferena entre a energia livre do constituinte estvel a temperatura (perlita) e a energia livre da fase instvel a esta temperatura (austenita). Entretanto, a transformao austenita perlita ocorre por difuso, isto , por movimentos atmicos dentro do slido. A mobilidade atmica ou a velocidade de difuso diminui rapidamente com o abaixamento de

TRsTnMENTO TRMICO DOS AOS

temperatura. Pode-se perceber, ento, que da atuao conjunta dos dois fatores - a diminuio de energia livre do sistema, que e a fora impulsora ("driving force"! da transformao, e a necessidade de difuso para se efetivar a transformaco resulta a existncia de um minimo no di

-

Figura 58

- Construo de um diagrama TTT

(1)

Se o ao, aps austenitizado, for resfriado ra~idamente uma temperatura inerior a um valor Mi, bem definido para-cada ao (cerca de 220C para o ao-carbono eutetide), j no ocorrer a transformao difusional austenita -+ mistura ferrita-cementita, devido a baixa mobilidade atmica a essas temperaturas. Entretanto, sendo uma fase alternada instvel, a austenita iniciar sua transformao em uma nova fase de menor energia iivre, a martensita, de que se apresenta uma micrografia. As principais propriedades e caractersticas desta fase sero introduzidas mais tarde, no capitulo referente a tempera. A uma temperatura denominada Mf. Tambm varivel para cada ao, atinge-se o final da reao, permanecendo uma certa frao de austenita no transformada, denominada austenita retida ou residual. A fig 59 indica esta evoluo em funo da temperatura. A fig 60 representa o diagrama TTT de um ao eutetide comercial, com 0,7?ZC e 0,76%Mn.Constituintes resultantes da decomposio isotrmica da austenita

Utilizemos, como referncia para ilustrar o presente tpico, o diagrama apresentado na fig 60 para um ao eutetide. Na faixa de temperaturas em que a austenita se decompe por difuso (72ZC at cerca 220C para

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

..

o ao em questo), o produto da transformao isotrmica sempre uma mistura de duas fases-ferrita e cementita. Entretanto, do ponto de vista microestruturat h diferenas-notveis entre os constituintes que se formam, em.funSo da temperatura em que ocorra a transformafo. .Z razo para isso que, em funo da temperatura, haver diferntes valores para a velocidade de nuclea3 e para a velocidade de crescimento dos cristai,s das novas fases.

TEMPERATURA,

*Caustenita-martensita.

Figura 59

-

Curva esquemtica da ( i )

transformao

Para temperaturas prximas de Arl, a fora impulsora (diminuida da energia livre) para nucleao das novas fases pequena, pois o sistema est bem prximo do equilibrio. Portanto a velocidade de nucleao pequena. Por outro lado, estando o sistema a uma temperatura relativamente eleveda, a velocidade de difuso ser alta, dai resultando alta velocidade de crescimento dos cristais das novas fases. Dai resulta o fato de que, as temperaturas prximas de Arl, o produto de transformao isotrmica da austenita uma perlita grosseira, isto , formada por lamelas espessas de ferrita e cementita. Sua dureza da ordem de 10 a 20 HRc, para o ao em anlise. Se a transformao da austenita ocorrer a temperaturas um pouco mais baixas, prximas ao "joelho" da curva (cerca de SSO0C para o ao-carbono eutetide), a velocidade de nucleao crescer bastante, resultando uma perlita fina, formada por lamelas bem mais finas de ferrita e cementita, com dureza bem maior, da ordem de 30 a 4 0 HR c.

TRATAMENTO TERMICO DOS AOSDIAGRAMAS

TfT

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

E ; a faixa 50O0C - 22fl0C, o constiruinte que' s e forma - deniminado bainita - com dureza que varia de 40 ' % Ka. c, apresenta caractersticas muito peculiares, intermedirias-'entre a perlita e a martensita. Se bem que tanto a bainita c o m a gerl.ita sejam misturas de ferrita e cementita, o grau de finura (ou de disperso) da estrutura bainitica muit.0 maior, no podendo as fases que formam a bainita ser resolvidas em microscpio tico. Esse elevado grau da disperso da cementita na ferrita resultado da baixa mobilidade atomica presente as temperaturas e l r . que se foraia e bai-neta, no sendo possvel ocorrer redistribuio dos tsmos de carbono da' austenita ao longo de grandes distancias. h kiansformac"ao em baini.fa'fe d por difuso do. carbono, que converge paia algunras regi-es do met-al, dando origem a cementita, deixando uma matriz praticamerite sem carbono,que se transforma em ferrita. interessante notar que se a austenita contiver elementos de liga em soluo slida, no ocorre praticamente nenhuma redistribuio destes elementos durante a reao aus tenita-bainita, isto , os teores dos elementos de liga nas novas fases, que formam a beinita (ferrita e cementita) sero os mesmos que os da austenita. Com relao, pois, a elementos de liga presentes, h uma semelhanga entre a reao Bainitica e a reao martensitica: durante estas reaes no ocorre difuso de elementos de liga porventura presentes na austenita. Outra semelhana com a reao martensitica a ocorrncia de distorces superficiais causadas no material pelo constituinte microestrutura?, indicando que provavelmente ocorre cisalhamento da estrutura cristalina durante a formao das placas de bainita. Metalograficamente htambem semelhana entre a bainita e a martensita como como se pode observar comparando as micrografias anexas. Em funo da temperatura de transformao, a bainita pode apresentar tambm variages na sua microestrutura. Se formada a temperaturas mais altas (da ordem de 350 a 450C), apresenta-se como um agregado de ferrita em forma de pena. Se a temperatura da reao for inferior a 300aC, as placas de ferrita tomam a forma de agulhas.

FATORES QUE ALTERAM A POSIO DAS CURVAS TTTA

composio qumica da austenita, a homogeneidade tamanho do gro austenitico so fatores que significativo a posio das curvas TTT.

da austenita e o alteram de modo

Dos 3 fatores, o mais importante a composio quimica. Quase todos os elementos de liga (exceto cobalto, titneo e alumnio), quando dissolvidos na austenita diminuem sua velocidade de transformao na faixa de temperaturas em que ocorre a transformao austenita - ferrita + cementita. As figs 61,62 e 63 ilustram a influencia de elementos com o cromo, molibdnio e boro. Comparando estes diagramas com o da fig 60 (ao carbono eutetide) pode-se observar como os tempos de incubao da austenita e de fim de reao austenita - ferrita - cementita so mais longos no caso dos aos ligados. Uma caracterstica importante de muitos aos ligados e que pode ser

TRATAMENTO TERMICO DOS AOS

observada =a Eig.3.&a existncia de um segundo joeiho no diagrama, indicando u n aumwtc de - instabilidade da austenita na faixa de temperaturas e n o produto de transformao bainita. Este segundo mnimo da cu.rva?st provavelmente associado ao fato de que nestas temperaturas--ais baixas no ocorre redistribuio dos elementos de liga durante.a rea&iolau.stenita bainita sendo, pois, requerida apenas difuso dz oa.rbono. .: . . ~.

-

;-

-

.

.

. .

tamanho do gro,aqste.riit,'go -tamb.& altera a posio tias curvas TTT. Par, explioar esta- inflqGncia, - basta iembrar..que a transformao sustenita-~ - -2errit-s + cew&ita u m rea3o que ocorre por nucieago e crescimento e q u e e. nucleqo. da perlita s e . d heterogeneamente junto aos heterogGni~coscantopios dos gros austeniticos.C)

Figura 61 - Diagrama TTT do ao O,l%C-12%Cr (tipo A I S 1 410) 0,11%C-0,44%Mn-O,372Si-O,16%Ni-i2,18%Cr(2).A

velocidade de crescimento da perlita, por sua vez, no sensivelmente modificada pelo tamanho do gro austenitico. A velocidade de nucleao ser tanto maior quanto mais fino for O gro austenitico, pois maior superfcie total estar disponivel pare a nucleao da perlita. E importante observar que no se usa esta propriedade quando se deseja alterar a instabilidade da austenita em tratamentos trmicos

TRATAMENTO TRMICO DOS ACOS

como se mostrar mais tarde): se por um lado um gro austenitico grosseiro diminui a instabilodade. da austenita, este efeito acompanhado por variaes desfavorveis en! outras propriedades, como aumento da fragilidade do ao, ocorrncia:de trincas, etc.

'C8W703

' F11m-

~. -.-

.

.

~. . .

OTi -6

dm=>'

rzm1000

~ 5 0 0

" : -ma ~ L O O

-

;

30

u

-E

L1L8

t - 3 0 ~- c *

2M100

- L83- 203t-

o

58

a51 2; 5 10

?o2

TEMPO SEGUNDOS

-

10'

toL

ios

o6

Figura 62

-

Diagrama TTT do ao 0,4%C-3,5Ni-O,7Ko

(2)

De maneira s m e l h m t e se pode explicar a infiuncia da homogeneidade da austenita sobre sua instabilidade abaixo de Arl. Como a reaco austenita -ferr.it!a - .cernentita ocorre por nucleao heterogenea, quanto menos -&omogenea for a austenita, isto , quanto maior a quantidade de carbonetos no dissolvidos ou de reas mais ricas em carbono, maior sera o nmero de regies capazes de se construirem em ncleos das novas fases. Em resumo, quanto maior a heterogeneidade da austenita, menor ser o tempo de incubao e mais rpida ser a decomposio da austenita.

TEMPO -SEGUNDOSFigura 63

- Diagrama TTT do ao 0,5%C-0,83%Mn-I,15%Ni-l,01%Cr0,48%fio ( 2 ) .

TRnTAMENTO TRMICO DOS AOS

Nos aos de composio no eutetide, a decompasio da austenita se inicia pela formao de Eerrta ou de cementita, correspondendo, respectivamente aos pontos A3 (aos hipoeutetoides) e Acm (aos hrpereutetides) . Estas transformaes so tambm observadas durante a decomposio isotrmica da austenita. como se indica nas figs 6b e 65, antes de se iniciar a transformao em perlita (fig 64) ou cementita (fig 65). Esta formao preliminar de u z constituinte pro-eutetide, contudo, s ocorre a temperaturas relativamente elevadas. Abaixc da joelho da curva, pode-se observar que suprimida a curva de tramformao austenita constituinte pro-eutetide + austenita enriquecida, transformando-se, pois, a austenita diretamente na mistura ferrita-cementita. Isto significa que as temperaturas mais baixas, o produto de transformao da austenita de um ao no eutetide ser* um constituinte do tipo perlitico, porm com composio idntica a do ao e portanto diferente de O,8%C.

-

TRANsFoRMA$&O DA AUSTENITA EM RESFRIBMEe0 WNTXNUO

Como se viu, os diagramas TTT indicam a transforma&~ da austenita a uma temperatura constante. Entretanto, na maioria dos casos, os aos so submetidos a tratamentos trmicos em que a temperatura da austenita decresce continuamente.

Figura 64

- Diagrama TTT do ao

0,5%C

- O,91ZMn (2)os diagramas TTT para

Surge ento a pergunta: e possvel utilizar prever o comportamento do ao nestes casos?

Uma anlise simples permite responder a esta questo e feita a seguir a partir do diagrama TTT do ao eutetide. O percurso a-b-c corresponde ao tratamento clssico, realizado para obter o ponto c da curva TTT: a austenita resfriada rapidamente (idealmente de forma instantanea) a 60C e mantida e esta temperatura at que ocorra a transformao. J o percurso a-c corresponde a um resfriamento continuo da austenita.

TWTAMENTO TRM~CO DOS AOSD I ~

m M

Figura 65

- Diagrama TTT do ao 1,13%C - 0,30ZEn ( 2 )

Imaginemos que o percurso possa ser aproximado pela srie de degraus indicada na fig 66, o que razovel se tomarmos 4 t suficientemente pequeno. Pode-se dizer que a contribui3o do resfriamento continuo para o inicio da reao austenita-perlita a somatiria das contribuies de cada pequeno intervalo b t. Comparemos, por outro lado, qualquer t do percurso a-c com o correspondente & t do percurso a-b-c- V-se que a austenita mais instvel a temperatura de 6 5 0 C . Que a qualquer temperatura correspondente aos degraus indicados (por causa do maior grau de super-resfriamento), portanto um tempod t a 650C contribui mais para o inicio de transformao que o tempofj t as temperaturas correspondentes aos degraus.

a

Figura 66

- Diagrama TTT do ao carbono eutetoide , superpondo-se a eleuma curva do resfriamento continuo da austenita.

t acima de 65OoC (curva de Portanto, a somatoria cios vrios resfriamento continuo: ser monos eficaz para iaiciar a transformago que a permanmcia a 650' :d;.compurr-,o isotermica). Com isto fica demonstrado que ao atingir a austenita o ponto c com o resfriamento continuo a-c, no ter decorrido tempo suficiente para o inicio da reao. Entretanto, como em resfriamento continuo um aumento no tempo representa uma queda de temperatura, o ponto em que a transformao de fato se inicia estar um pouco abaixo e um pouco a direita do ponto c . As curvas de transformao em resfriamento continuo esto indicadas em trao cheio na fig 66.No se deve depreender, das condies feitas, que a5 curvas TTT no podem ser utilizadas na anlise de tratamentos trmicos em que ocorrem resfriamentos continuos. Compreendida a limitao acima, as curvas TTT so uma ferramenta poderosa para o engenheiro, desde que utilize as informaes corretamente.

d

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

Na figura 67 se apresentam as curvas resfriamento continuo - do ao SAE 4340.

TKC

-

transfowao

em

Figura 67

A martensita do ao, resultante da transformao da austenita ao ser resfriada a uma velocidade igual ou superior a velocidade crtica, e uma soluo nuper-saturada de carbono em ferro

.

A estrutura cristalina da martensita e tetragonal de corpo centredo, constituido uma estrutura intermediria entre as fases "normais" do e a cbica de corpo ao, que so a cbica de face centrada (ferro centrado (ferrod). Esta situao e melhor compreendida atravs da anlise da dstoro de Bain, lustrada na fig 68. Os pequenos circulos pretos representam as posies que podem ser ocupadas, na estrutura do ferro, pelos tomos de carbono. 0s crculos brancos representam os tomos de ferro.

x)

Figura 68

- A distoro de Bain na transformao martensitica dos aos.Os pontos pretos representam posies que podem ser ocupadas por tomos de carbono. (A) cbico de face centrada. (B) representao tetragonal da austenita. (C) martensita tetragonal. (D) cbico de corpo centrado.

A figura 68a, mostra que a austenita pode ser visualizada como uma estrutura tetragonal de corpo centrado, com os tomos de carbono situados ao longo do eixo vertical e nos centros das faces normais a este eixo. Esta calula est indicada novamente na fig 68b. A estrutura martensitica, por sua vez, indicada a figura 68c, observa-se que a tegragonalidade (relao c/a) bem menor que no caso da figura 68b. Os tomos de carbono na martensita, contudo, ocupam as mesmas posies que na austenita.A estrutura da martensita tetragonal por causa da presena dos tomos

de carbono nas posies indicadas, que impedem que a transformaao norma: da autenita em uma estrutura cbica de corpo centrado (fig 68d) se complete. Pode-se imaginar que a presena dos tomos de carbono na estrutura deforma a rede cristalina causando uma tetragonalidade, que varivel com o teor de carbono da martensita, conforme indicado na fig 64. Os pontos Hi e Hfo de inicio e de fim de transformao da austenita em martensita no dependam da velocidade de resfriamento, sendo funo unicamente da composio qumica do ao.

TWTAMENTO TRMICO DOS AOSD I -

rn

Figura 69

- Variao dos parmetros de rede da austecitamartensita, em funo do teor de carbono presente(4).

e na

da liga

A figura 70 mostra como variam Xi e Xf com o teor de carbozo da liga.

t

d

Figura 70

- Efeito do teor de carbono sobre os pontos de inicio e defim de transformao da austenita em martensita.

0 efeito dos elementos de liga sobre a temperatura Hi tem sido estudado por vrios pesquisadores, destacando-se a expresso proposta por Stevan e Haynes, para estimar o valor de Xi em funo da composio qumica do ao.

i

TRATAMENTO TRMICO

DOS AOS

Aplicvel com preciso de . d l + 20C, nas seguintes faixas: 0 , l 0155XC; 0 at 5 : ! N i ; 0 , l at 0,35%Cr; 0 , 2 At,l-,7XKn; 0 at l%Mo.

at

A transformao de ausienita em martensita se inicia pela formao quase instantnea (o tempo de formao de una placa da ordem de 10 segundos) de placas (agulhas) de martensita, pelo escorregamento de deslocaes de trsnsformao que provocam um cisalhamento no material (OU, mais rigorosamente, produzem uma deformao plana invariante). A transformao prossegue pelo aparecimento de novas placas ou agulhas e no pelo crescimento dos cristais j formados. As primiras agulhas tem um comprimento igual a menor aimenso do gro d e austenita, porm as agulhas formadas posteriormente Cem o seu desenvolvimento limitado pelas primeiras agulhas, apresentando* por isso, tamanhos bem menores. Os primeiros cristais se dispem segundo ngulos de 60' ou 120* entre si, enquanto que os cristais formados posteriormente se formam paralelamer.te ou e~ ziguezagrte. Devido a enorme velocidade da'transformao austenita-martensita, no h tempo para sada dos tomos de carbono da soluo solida, com o resultado de que a copposio da martensita identica a da austenita de que se sriginou. A dureza da martensita nos aos depende principalmente de seu teor de carbono. A figura 71 mostra como varia a dureza da martensita com o tecr de carbono, apresentando tambm, para comparao, as durezas que so obtidas em ayos normalizados e em aos esferoidizados. A dureza da martensita varia pouco com a presena de no ao, que so adicionados no com a finalidade propriedade, massim para retardar o inicio austenita-perlite (des~ocandoassim as curvas TTT longos) e desta forma facilitando a tempera. elementos de liga de influir nesta da transformao para tempos mais

IFigura 71

TEOR DE CARBONO, %

- Dureza de aos carbono, em funo do teor de carbono e damicroestrutura. (6)

Entretanto, em aos de teor de carbono relativamente baixo, alguns elementos de liga, se presentes em teor elevado, podem aumentar a dureza dc modo sensvel, como relatado por Bain e Paxton, com os dados reproduzidos na fig 72. A alta dureza da martensita nos aos pode ser associada a duas causas principais. A primeira a elevada densidade de deslocaes existente na estrutura, da ordem de 10" a 1 O X 2 deslocaes/cmz , comparvel i densidade que se encontra em um metal severamente deformado a frio. Este emaranhado de deslocaes constitui uma importante barreira ao movimento das proprias deslocaes, sendo, por isso, um forte componente no aumento da dureza do metal aps tempera. A outra causa de grande dureza a presena dos tomos de carbono na martensita.

TRATAMENTO TERMICO DOS AOS

TEOR C c 2 OU Mo,%

I-

Figura 72

- Efeito do cromo e do molibdenio na dureza mxima damartensita em aos com 0,35%C.

Estes tomos, em soluo intersticial na estrutura do ferro, causam uma deformao na rede, que tende a ser aliviada por uma redistribuio dos prprios tomos de carbono para posies favorveis junto as deslocaes. Isto, por sua vez, estabelece ligaes relativamente fortes entre as deslocaes e os tomos de carbono, ancorando as eslocaes e dificultando o seu movimento quando sob a ao de tenses aplicadas. A influncia deste segundo fator interao de tomos de carbono e deslocaes - proporcional ao teor de carbono do ao, contribuindo, no caso de um ao 0,4%C, com aproximadamente 2 / 3 da dureza da martensita, sendo a sub-estrutura de deslocaes responsvel pela outra parcela.

A fig 73 representa o diagrama TRC de um ao eutetide, juntamente

curvas de resfriamento, em salmoura, de duas barras de dimetcos DB deste aco.

coro DA e

TRATAMENTO TRMIGO DOS AOSDIAGRAMAS n ?

r>

TEMPO

Figura 7 3

- Diagrama TRC de um ao eutetide e curves de resfriamentodo centro e da superficie hipotticos D P . e DB de barras de dimetros

Aps o resfriarnento rpido da barra A, observao das curvas 1 e 2 na fig 7 3 , mostra que a estrutura da barra ser martensitica tanto na superficie como no centro. Diz-se neste caso que houve uma penetrao total na tempera. J no tratamento da barra B, aps o resfriamento em salmoura, a superficie da barra ser martensitica, porm o centro ter um constituiate do tipo perlitico. Isto sigiifica que, tendo a barra B um diametro DB significativamente maior que DA, no foi possvel resfriar o seu centro a uma velocidade tal que ali tambm produzisse martensita. O exemplo simples acima nos serve para introduzir o conceito de temperabilidade, isto , a profundidade a que, numa dada pea, se consegue obter estrutura martensitica por tempera. importante distinguir aqui entre dois conceitos, o de temperabilidade

e o de mxima dureza do material tratado. Enquanto a dureza mxima de uma pea temperada depende, como j se viu, quase que somente do teor de carbono de ao, a profundidade de endurecimento depender da possibilidade de a pea ser resfriada, em suas camadas mais internas, a uma velocidade de resfriamento superior a crilica. A velocidade de resfriamento de uma pea de ao, fixado o meio de resfriamento, depende apenas da condutividade trmica do ao, que uma propriedade fsica na qual se pode atuar muito pouco (varia pouco com a composi~o do ao, para aos ligados de baixo e mdio teor de elementos de liga). A nica forma prtica, pois, de se aumentar a profundidade de endurecimento ser pela alterao da cintica da transformao austenita - ferrita + cementita: quanto maior for o perodo de incubao desta reao, menor ser a velocidade critica de resfriamento e maiores profundidades de

TRATAMENTO TRMIcO DOS AOS

endurecimento sero obtidas, em um dado meio de resfriamento. Voltemos a barra b do exemplo apresentado acima. A variao da microestrutura desta barra, aps tempera, de martensita na superficie at perlitz no centro, acompanhada de uma correspondente variao de dureza. A figura 74 mostra esta variao ao Longo do diamctro da barra, medida em uma seo transversal afastada das extremidades da barra.

a-lD%Morlenrita 50% Marlenrita

Figura 7 4

- Variao da dureza ao longo do dimetro de uma barra de aoeutetide temperada em salmora

Observa-se que a dureza cai de um valor mximo igiiai a 65HRC junto a superficie, para um valor 40KR no centro da barra, correspondendo, respectivamente, as estruturas martensitica e perliica. usualmente aceito definir como profundidade de penetrao de tempera a posio na barra temperada que apresenta uma microestrutura formada por 501 de martensita e 50% de perlita. Esta regio da barra temperada denominada zona semi-martensitica. Esta escolha no arbitraria: ela corresponde, aproximadamente, a tomar como profundidade de tempera a posio em que a dureza sofre uma variao brusca, indicada na fig 74 pela horizontal pontilhada, que corresponde a 54KRC.

A dureza da zon3 semi-martenstica ben deterainada em funo da composio qumica do ao. A figura 75 apresenta a variao de dureza de aos-carbono em funo do teor de carbono, para vrias porcentgens de martensita na micro-estrutura, inclusive a proporo 50% martensita - 50% perlita (curva L ) .

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

Figura 75

- Variao da dureza de aos-carbono em funo do teor decarbono, -para vrias microestrutura. porcentagens de martensita na

A profundidaae da zona semi-martensitica

, pois, usualmente tomada como um ndice de temperabilidade do ao. Esta profundidade depende do diametro da Darra, do meio de tempera e da cintica da transformao austenita-ferrita+cement;ta. Esta cinetica, por sua vez, depende da composio qumica da austenita, de sua homogeinidade e do seu tamanho de gro.

Anafizamos inicialmente a influencia do tamanho da barra. A anlize a seguir apresentada a do mtodo de Grossmann de medida de temperabilidade. Barras do mesmo ao, de diferentes dimetros, so temperadas em salmoura e a seguir se mede a variao da dureza ao longo do dimetro, em cada barra, obtendo-se grficos como os indicados na fig 76, denominados curvas m U.

it

i;nou=30 201 2

.

. .!

iFigura 76

3 L

1 '

I

2

i -

- Variao de dureza, ao longo do dimetro, em barras de aoeutetide de vrios diametros temperadas em salmoura.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSNORMALIZA@~O DOS MATERIAIS

AOS AO CARBONO

X atualmente uma grande variedade de aos. e existem para classific-los:i

diversas normas

2 3 4 5

-

Norma Norma Norma Norma Norma

DIW ASTE1 MSI JIS SAE

: Norma Industrial Alem; : Associao Americana de Teste e Materiais; : Instituto Americano do Ferro e .Ao; : Norma Industrial Japonesa : Sociedade de Engenheiros putomotrizes.

O sistema de classificao mais generalizado como base a composio qumica.

aquele

que

considera

A Sociedade de Engenheiros Automotrizes "S4X" hi muito tempo, adotou um sistema para classificar os aos, to prtico que bcje adotado em quase todo mundo. Os a p s de acordo com sua composio qumica, esto divididos em vrios grupos. Para designar os aos usa-se uma numerao convencior.al conforne o esquema abaixo. Exemplo: SAE 1006, 1010, 1015, 1020, 1030, 1040, 1050, 1080, etc. SAE 1020: O primeiro nmero da esquerda indica o grupo a Pertence o ao' bem como o predomnio de m determinado elemento qumico. O segundo nmero mostra a zona aproximada dos teores liga contido no ao. Os dois ltimos nmeros mostram o teor mdio de em centsimos por cento. Exemplo: SAE 1020 O primeiro nmero indica ao carbono. O segundo nmero zero no tem elementos de liga. 0s dois ltimos nmeros (20) significa 0,2O2 de carbono. OBSERVAO , & ' . S ABNT, AIS1 so iguais, sendo que AIS1 classifica acrescentando a letra C antes do nmero para indicar aos produzidos em forno SEMENS-MARTIN. de

carbono

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

Um ao ao careoao uma liga ferrosa com um teor mnimo de mximo de 2 , 1 % de carbono. Os aos carbonos podem ser classificados como: 12 3

0,5% e

um

- Aos Baixo Carbono - Aos Bedio Carbono - Aos Alto Carbono

- 0,5 a 0.30% de carbono - 0 , 3 1 1 a 0,492 de carbono - 0 , 5 0 a 2 , 1 % de carbono

AOS BAIXO CARBONOPodemos encontrar em qualquer indstria, cantoneiras chapas, arames, pregos, algumas partes de mquina, etc e como caracterstica principal podemos destacar que este ao no e temperavel.

AOS RDIO CARBONOComo o teor de carbono aumenta, este ao tem melhores propriedades que o de baixo carbono e so encontrados nas industrias em forma de peas como eixos,engrenagens, rodas, pinhes, guinchos, rotores, alguns tipos de molas, etc.

AOS ALTO CARBONOEstes aos so geralmente empregados para a fabricao de matrizes, mandris,ferramenEas mecsnicas e manuais, brocas, moias, facas, cossinetes, serras, e partes de mquina onde se requeira resistncia maior.

AOS LIGADOS

Devido as limitaes que tem, aos aos carbono foram adicionados alguns elementos de liga em sua composio para melhorar as caractersticas mecnicas. Estes elementos so adicionados em pequenas quantidades e quando o so em maiores quantidades os aos recebem outros nomes como aos mangans, ao inox, ao ferramenta, etc. Podemos adicionar at 6% de elementos de liga, acima de 6% torna-se alto ligante. Para melhor trabalhar com os aos ligados foi elaborada classificao pela Sociedade dos Engenheiros Automotrizes. Esta classificao consta de 4 a 5 algarismos, e agora o que cada um deles representa. o que vamos uma saber

Exemplo: SAE 4 1 4 0 , 3120, 2130, 5 1 1 0 0 , 8640, etc.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

Primeiro AlgarismoRepresenta o elemento principal de liga e poder ser:

K ' 1 - carbono No 2 - nquel Na 3 - niquel-cromo ? P 4 - cromo molibdenio K n 5 - cromo N o 6 - vanio N o 7 - tungstnio No 8 - cromo-niquei molibdnio No 9 - silcio mangans Seguneo AlgarismoRepresenta as quantidades aproximadas dos elementos de liga no ao.

Terceiro e Quarto AlgarismosRepresentam o teor aproximado de carbono no ao. Se nos aparecer um ao Li2iO: A

-

Sabemos que o algarismo 4 corresponde a tabela cromo-molibdenio. cromo-molibdenio que no caso 22.

B - Sabemos que o segundo algarismo representa a porcentagem doC - Sabemos que os 2 ltimos representam o teor de carbono que no 0,10%

caso

Nesse caso temos um ao CROMO-HOLIBDENIO com 22 de cromo-molibdenio 0,10% de cariiono podemos ento partir para o Tratamento Trmico.

e

Aos tipo SAE 50100, 51100, 52100 so produzidos usados para rolacentos.

em

aciaria

eltrica

O manganes atua nos aos como desoxidante e desulfurante. Abaixo de 1%o manganes no prejudica tendncia ao endurecimento. a soldabilidade, mas d uma

Acima de 1% o aumenta a tendncia a trincas. O manganes tem influncia de endurecimento 4 vezes menor que o carbono. Um ao manganes de baixa

TRATAMENTO TRM~CODOS AOS

W W L I Z A G O DOS

biATERIAIS

liga tem um teor de 1 , 9 % o que dificulta a soldabilidade. Este ao e principalmente usado como chapa anti-desgaste em equipamento de minerao etc. O teor de carbono pode ser de 0,202 at 0,452.A classificao deste ao mangans de baixa liga segundo a

norma

SAE:

SAE 1320, 1330, 1135, 1340.

AOS DE ALTA VELOCIDADE

So aos com uma adio de fsforo ou enxfre para facilitar a usinagem, que favorece o corto nas .mquinas ferramentas a grandes velocidades. Os valores normais J E ' 5 so 0,047. mximo. Para facilitar a usinagem o teor de fsforo e pode ser de 0,lZX mximo e o teor de enxofre de 0,15% mximo. Segundo a norma SAE so classificados em SAE 1111, 1112.

So ligas ferrosas com adio de elementos (9-Ni) cromo e niquel, para dar propriedades de resistir a corroso. temperatura e corroso a temperatura. Nos casos de aos comuns a corroso atmosfrica se d pela reso entre ferro e o oxignio do ar, formando xido de ferro (Fe.0 ) que chamado 2 3 de ferrugem. Nos aos inoxidveis esta formao de xidos superficiais a responsvel pela resistncia a corroso e a temperatura dos asos. O cromo o principal responsvel por essa formao que seria o xido de cromo. O cromo somente em teores acima de 10% d aos aos inoxidveis as propriedades de resistir a corroso e acima de 20% as propriedades de resistir as temperaturas. O nquel para proteger o inoxidvel acima de 7%. contra a corroso dever estar

Para entender bem os aos inoxidveis importante estudar a norma AIS1 e conhecer cada tipo. Os aos inoxidveis foram divididos em 3 grupos: 200 - 300 - 400.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSNORMALIZAO DOS MATERIAIS

GRUPO 200 AISI ou S . @ 200 6 a classe dos aos inoxidveis austeniticos.

Composio quimica: Cr, Ni, Mn. Estes aos so menos empregados nas indstrias brasileiras. GRUPO 300 AISI ou SAE so os aos inoxidveis mais usados na indstria brasileira. Graas as propriedades de resistir a corroso e temperaturas. Composi:so qumica: 16 a 254 Cr

- 6 a 22% Ni

-

mximo 0,23% C

A - no so temperveis B - no so magnticos C - endurecem com o trabalho D resistem a corroso e a temperatura E - resistem a trao F - resistem ao impacto G temperatura critica entre 400 e 900C H - no so bons condutores de calor e eletricidade I - so problemticos para soldar quando h corroso (precipitaes de carbnneto de cromo).

-

inter-granular

PRINCIPAIS TIPOS DE AO INOX 300 TIPO 302 304 308 CROMO 18% 19% 20% NQUEL APLICAO Aplicados, onde se necessitam de resistncia a corroso ambienta1 e oxidaco a quente cido sulfrico e a frio - cido clordrico.

9% 10%11%

TRATAMENTO TRMICO DOS AONORMALIZAO W S MATERIAIS

Como forma de se evitar o carboneto de cromo so adicionados aos asos, elementos que tenham uma maior afinidade com o carbono do que com o cromo. Estes elementos so: Nibio (Nb) Titinio (Ti) Tanta10 (Ta) A eles d-se o nome de estabilzantes. Desta maneira no se forma carboneto de cromo, mas sim. zarboneto de nibio, titnio ou tntalo e evita-se a descronizao do ao. OS TIPOS DOS AOS ESTABILIZ-WS MAIS COMUNS SO:

AOS INOX DA CLASSE 400Sau acos incxid5veir que em

samc~tcCROYO. ~OMPOSIO DOS FERRTICOS

E

sua composic o elementc principa: ci.,iaen-se em: FERR:iiCOS e .%LQTE~'S!TICOS de 12% a 272 de CROHO mximo de 0,35% de carbono.

:

A 6

- No so temperaveis - So magntl c o s C - Boa resistencia a corroso9

D G

E - Boa resistencia ao impacto F - Boa resistencia ao desgaste H - Temperatura critica

- Boa

resistncia a trao

- Bom

aiongamento

47SC (fica frgil).

TRATAMENTO TRMICO

DOS AQOS

PRINCIPAIS TIPOS E APLICAES W S ACOS INOX 4 0 : :

- FEKRTICOS

Resistencia corroso por cido nitrico e cifns orghnitos, aolicados em pecas de bombas, turbinas hiaroeltrica, eixos propulsores de navios, etc.

So a : o s

inoxidveis com o cromo e carbono rlto.i22

Composio:

O, l j XEstrutura martensitica

a a

18% de cromo 1 , 2 0 de carbono

CmXTERfS~:C~~ PRIliCI?AIS DOS ACOS IWOX 400 A B C

-

.XARTEKS:TICOS

D E

F -

-

So So Boa Boa Boa So

temperveis magnsticcs ras;s:encia a trao resistncia a corrosZo r s ~ i ~ t i n cao i desgaste usinveis somente com ferramentas especiais.

PRXCIPAIS TIPOS DE AOS INOX 4 0 0 MARTENSITICOS (APLICAES)

*

403 413 A 414

*k

4 4 1 6 420

-

Lminas forjadas ou usinadas de turbinas e compressores; assentos de vlvulas - carcaas de bombas, hlices, rotores; Cutelaria e instrumentos cirrgicos - Instrumentos cirrgicos

FERRO FUNDIDO

E uma liga ferrosa com teor de carbono, que varia entre 2 , i a 6,7%c.

O ferro fundido se obtm da refinaso do ferro gusa num forno chamado CUBILOT. Este um forno vertical todo em chapa de ao, revestido no seu interior com material refratrio, no qual se carrega carvo ferro gusa, calcrio e sucata; pela parte inferior se acende e injeta ar para acelerar a combusto e poder fundir o gusa e a sucata at obter o ferro fundido, ajustando-se a anlise de cada um dos componentes.

-

Este sistema de obteno do ferro fundido o mais econmico, mas o ferro assim obtido no de muito boa qualidade, pelo fato de ainda estar em contato o ferro fundido com o carvo.

TRATAMENTO TERMICO DOS AOS

O carbono o elemento mais importante. As formas nas quais se deposita o carbono no ferro so duas:

1 - Ligado quimicamente com o ferro formando carboneto de ferro (Fe3C). 2 - Completamente livre, formando grafite.Para obter o carbono ligado ou livre, deve-se durante a faricao das peas, que so: considerar 3 fatores

D A B C

Velocidade de resfriamento da pea moldada; Anlise winica do ferro em fuso; Tratamento trmico depois de moldada; Yodiiicando alguns desses fatores, pode-se modificar a estrutura do ferro fundido.

Os ferros fundidos mais usados so:

" ""

FE Fundido Branco FE Fundido Cinza FE Fundido Halevel

" FE Fundido Nodular " FE Fundido Ligado

FEFU BRANCO Este FEFu se obtm do cubilot. O seu molde e de grafite ou metal resfriado a gua. Este FEFU muito duro, portanto no soldavel. O nome do FEFU branco devido o composto de cor branca no momento da fratura em alguns lugares.

TWTAMENTO TERMICO DOS ACOS

FEFC CINZA Este FEFD apresenta carbono livre usinvel, fcil para trabalhar. O seu molde de areia, para evitar pontos duros adiciona-se entre 32.5 " 3 , 5 % silicio (Si) para agir como catalizador impedindo a formao do carboneto de ferro.

O nome FEFD CINZA deve-se a fratura apresentar uma combinao do preto do grafite e O branco da periita.

cor

cinza

Pode-se dizer que este FEFU o mais usado nas inddtrias. Sua , sua elasticidade zero. resistencia a traco de 12 a ZOkg/mm

Composio qumica:

Ch Si

= = =

3 3,4% 0,0,7% 1.2.2X

FEFU MALEAVEL Todo carbono est livre, o seu molde na fabricao grafite ou metal refrigerado a gua. Aps a moldagem leva-se a pea a um forno at atingir 900C. Mantm-se esta temperatura por um perodo de 90 a 20 horas. Depois desliga-se o forno a uma velocidade de resfriamento de 20" por hora para separar o carbono do ferro. Este FEFU, assim obtido

TRATAMENTO TRMICO DOS AOSNORMALIZACO DOS MATERIAIS

muito dctil e maleavel com alta resistencia. Facilmente usinvel.

FERRO NODULAR Este FEFU igual ao FEFU cinza ou malevel, tem todo carbono livre, seu molde de areia. Para ter todo o carbono livre adiciona-se csio ou magnsio para agir como aglomerador de carbono.

TRATAMENTO TRMICO DOS AOS

~ o ~ ~ a i r z a cnos Ao

TE RI AIS

.-

FWZO fundido ~tiaieabflliado branco. Femra. wllia e Mulas smdondado