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Têmpera

(2) Metalurgia I I Parte V I I I Tratamento Térmico

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Têmpera

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Têmpera

• Objetivo:

• Aumento da dureza, resistência mecânica (limites de escoamento e resistência) e resistência ao desgaste.

• A ductilidade e a tenacidade dos aços temperados é nula.

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Têmpera

• Procedimento:

• Aquecimento até o campo austenítico, seguido de resfriamento rápido em água, salmoura, óleo ou ar forçado.

• O resfriamento da superfície e núcleo da peça devem ultrapassar a linha Mf

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Têmpera

• Microestrutura obtida:

• 100% de martensita com dureza entre 60 a 67 HRC

• A martensita é uma solução sólida supersaturada em carbono com reticulado TCC (tetragonal de corpo centrado).

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Têmpera

723°C

T [°C]

tempoAço 1040

Resfriamento rápido abaixo

de Mf

Microestrutura austenítica

Campo austenítico

860°C

Aços hipoeutetóides

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Têmpera

723°C

T [°C]

tempoAço 1080

Resfriamento rápido abaixo

de Mf

Microestrutura austenítica

780°C

Campo austenítico

Aços eutetóides

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Têmpera

Microestrutura resultante: Martensita

Têmpera

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Têmpera

• Os aços destinados á têmpera apresentam teores de C acima de 0,4%.

• A distorção provocada no reticulado CFC para formar o TCC é maior quanto maior for o teor de carbono. Os aços com teores inferiores á 0,4%C temperados apresentam microestrutura martensítica CCC devido às pequenas distorção no reticulado e baixa dureza.

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Têmpera

• O aumento do teor de C e / ou a adição de elementos de liga (exceto o Co) deslocam as curvas TTT para a direita, possibilitando o uso de meios de têmpera menos severos para a obtenção da microestrutura martensítica.

A

M

P

B

T

Tempo [s] 25 50 75

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Têmpera

• Entretanto, este deslocamento é acompanhado pelo abaixamento das temperaturas de início e final de transformação martensítica (Mi e Mf), favorecendo a ocorrência de austenita retida nos casos em que Mf ficar negativa. Nestes casos emprega-se o tratamento sub-zero.

A

M

P

B

727°C

T

Tempo [s]

T ambiente

Aço de alto teor de carbono

Mi

Mf

A + C

A + P

A + B

Tratamento sub-zero

A + M

Martensita + austenita

retida100%

martensita

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Têmpera

• Sem o emprego do tratamento sub-zero a quantidade de austenita retida será maior quanto maior o teor de C, diminuindo a dureza final obtida após a têmpera.

%C % austenita retida

< 0,5% < 2,0 %

0,8% 6%

1,25% 30%

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Têmpera em água

• A água é o meio de têmpera mais antigo, mais barato e o mais empregado.

• O processo de têmpera em água é conduzido de diversas maneiras: por meio de imersão, jatos, imersão ou jatos com água aquecida, misturas de água com sal (salmoura), ou ainda, misturas de água e aditivos poliméricos.

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Têmpera em água

• Os valores mais elevados de dureza são obtidos por meio de imersão, mantendo-se a temperatura da água entre 15°C e 25ºC e agitação com velocidades superiores à 0,25 m/s.

• A temperatura, agitação e quantidade de contaminantes da água ou o teor de aditivos são parâmetros controlados periodicamente.

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Têmpera em água

• Retenção de vapor durante a têmpera em água de uma engrenagem.

Têmpera em água

Têmpera em solução polimérica

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Têmpera em água

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Têmpera em salmoura

• O termo salmoura ("brine quenching") refere-se á solução aquosa contendo diferentes quantidades de cloreto de sódio (NaCl) ou cloreto de cálcio (CaCl).

• As concentrações de NaCl variam entre 2 á 25%, entretanto, utiliza-se como referência a solução contendo 10% de NaCl.

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Têmpera em salmoura

• As taxas de resfriamento da salmoura são superiores às obtidas em água pura para a mesma agitação.

• A justificativa é que, durante os primeiros instantes da têmpera, a água evapora com contato com a superfície metálica e pequenos cristais de NaCl depositam-se nesta. Com o aumento da temperatura, ocorre a fragmentação destes cristais, gerando turbulência e destruindo a camada de vapor.

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Têmpera em salmoura

• A capacidade de extração de calor não é seriamente afetada pela elevação da temperatura da solução.

• De fato, a salmoura pode ser empregada em temperaturas de até 80ºC, entretanto, a capacidade máxima ocorre em aproximadamente 20ºC.

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Têmpera em salmoura

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Têmpera em óleo

• Todos os óleos de têmpera têm como base os óleos minerais, geralmente óleos parafínicos.

• Os óleos de têmpera são classificados em:– óleos de velocidade normal- para aços de alta

temperabilidade;

– óleos de velocidade média - para aços de média temperabilidade;

– óleos de alta velocidade - para aços de baixa temperabilidade;

– óleos para martêmpera e

– óleos laváveis em água.

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Têmpera em óleo

• Características relativas entre os óleos parafínicos e naftênicos

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Têmpera em óleo

Efeito da viscosidade elevada

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Têmpera em óleo

• A maior parte dos óleos de têmpera apresentam taxas de resfriamento menores que as obtidas em água ou em salmoura, entretanto, nestes meios o calor é removido de modo mais uniforme, diminuindo as distorções dimensionais e a ocorrência de trincas

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Têmpera em ar

• A aplicação do ar forçado como meio de têmpera é mais comum em aços de alta temperabilidade como aços-liga e aços-ferramenta.

• Aços ao carbono não apresentam temperabilidade suficiente e, conseqüentemente, os valores de dureza após a têmpera ao ar são inferiores aos obtidos em óleo, água ou salmoura.

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Têmpera em ar

• Como qualquer outro meio de têmpera, suas taxas de transferência de calor dependem da vazão

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Têmpera com laser

• Consiste no uso de um feixe de laser de elevada potência que aquece uma pequena camada superficial acima do campo austenítico em segundos.

• O resfriamento ocorre pela condução no interior da peça, ou seja, o núcleo resfria a camada superficial, transformando-a em martensita.

Têmpera com laser

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Algumas considerações sobre trincas de têmpera

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• A variação volumétrica resultante da transformação martensítica depende, predominantemente, do teor de C contido no aço.

Trincas de têmperaSusceptibilidade

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Trincas de têmperaSusceptibilidade

Camada inicial de martensita Camada sub-

superficial austeníticat

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• A gênese das trincas de têmpera pode ser resumida em:

– forma-se uma camada inicial de martensita;

– com a resfriamento, as camadas de austenita sub-superficiais sofrem a transformação martensítica com um atraso em relação a camada inicial;

– estas transformações posteriores (com expansão volumétrica) impõem tensões de tração sobre a camada inicial, que pode resultar em trincas, se estas tensões ultrapassarem o limite de resistência.

Trincas de têmperaGênese

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Trincas de têmperaGênese

Page 32: (2)  Metalurgia  I I    Parte  V I I I    Tratamento Térmico

Trincas de têmpera• Aspecto das

trincas de têmpera

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Trincas de têmpera

• Aspecto das trincas de têmpera

• Macro

• MEV

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• Aspecto das trincas de têmpera - MEV

200 x 800 x

Trincas de têmpera

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Martêmpera

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Martêmpera

• Objetivos: • aumento de dureza por meio da microestrutura

martensítica• menor nível de tensões internas em relação à

têmpera convencional, e conseqüentemente, maior estabilidade dimensional sobre os lotes e menor perda de peças por trincas e/ou distorções dimensionais

• maior custo que a têmpera devido ao emprego de fornos do tipo banho de sal

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Martêmpera

• Procedimento:

• Aquecimento até o campo austenítico seguido de resfriamento em banho de sal ou óleos de martêmpera aquecidos

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Martêmpera

• Microestrutura obtida:

• Martensita (idêntica à obtida na têmpera convencional)

• Após operação de revenimento: Martensita revenida. Obviamente com o aumento da temperatura de revenimento, a martensita revenida tem sua dureza diminuída e sua tenacidade aumentada.

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Martêmpera

723°C

T [°C]

tempoAço 1080

Microestrutura austenítica

Resfriamento em banho de

sal

Resfriamento ao ar (austenita martensita)

Campo austenítico

780°C

~250°C

Homogeneização de temperatura na austenita

martêmpera

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Martêmpera

Microestrutura resultante:

Martensita

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Martêmpera

S N

Martensita 62 HRC

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Revenimento dos aços

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Revenimento

• O revenimento é um tratamento térmico destinado aos aços previamente temperados (microestrutura martensítica), com o objetivo principal de aumentar sua ductilidade e tenacidade.

• É realizado em temperaturas inferiores à zona critica com tempos de duração e velocidades de resfriamento controladas.

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RevenimentoTem

pera

tura

tempo

Têmpera oumartêmpera

Revenimento

austenita

martensita

martensita revenida

trev = 1h

Trev = definida pela dureza final

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Revenimento

• Os aços temperados são revenidos para a obtenção de propriedades mecânicas específicas (aumento de ductilidade e tenacidade), aliviar tensões internas e garantir estabilidade dimensional a peça (o revenimento é acompanhado por uma redução de volume).

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Revenimento

• As variáveis que afetam a microestrutura e propriedades mecânicas dos aços temperados são:

– Temperatura de revenimento– Tempo na temperatura de revenimento– Velocidade de resfriamento após o revenimento– Composição do aço, incluindo teor de C, elementos

de liga e impurezas

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Revenimento

• Com raras exceções, o revenimento dos aços é normalmente realizado entre 175°C e 650ºC e tempos que variam de 30 minutos até 4 horas

• Microestrutura obtida: Martensita revenida.

Revenimento

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Temperatura de revenimento

• Cada aço apresenta uma correlação entre a temperatura de revenimento e as propriedades mecânicas.

• As curvas de dureza versus temperatura de revenimento são normalmente empregadas para a seleção da temperatura de revenimento de um aço.

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Temperatura de revenimento

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Temperatura de revenimento

Curva de revenimento aço SAE 8650

Curva de revenimento aço SAE 4140

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Temperatura de revenimento

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Temperatura de revenimento

Curvas de revenimento de aços-ferramenta

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Temperatura de revenimento

• O revenimento pode ser dividido em 4 estágios (sem um limite rígido entre eles) (2):

– 1° estágio (entre 100°C e 250°C);– 2° estágio (entre 200°C e 300°C);– 3° estágio (entre 330°C e 600°C) e– 4° estágio (entre 500°C e 650°C).

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1° estágio do revenimento(entre 100°C e 250°C)

• Também é chamado de alívio de tensões, pois não se detectam alterações microestruturais por meio de microscopia óptica, embora ocorra uma elevação da tenacidade.

• Em aços alto-carbono, o C pode difundir-se da martensita e formar “clusters” ou o carboneto (Fe2,2C) que aumentam a dureza.

• Esta precipitação diminui a supersaturação da martensita, mas não é suficiente para diminuir sua tetragonalidade.

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• A martensita formada em aços de médio e alto carbono não é estável na temperatura ambiente devido a difusão de C. Até 250ºC o carbono difunde-se e forma carbonetos do tipo hexagonais. Em aços de alto carbono, ocorre elevação de dureza para temperaturas de revenimento entre 50ºC e 100ºC devido a precipitação de .

1° estágio do revenimento(entre 100°C e 250°C)

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2° estágio do revenimento(entre 200°C e 300°C)

• Em aços ligados com alto teor de carbono, a austenita retida decompõe-se por uma reação bainítica. Os carbonetos precipitados desta reação diminuem a supersaturação da austenita e aumentam MS.

• No resfriamento deste revenimento, a austenita transforma-se em martensita não-revenida, sendo necessário a aplicação de um outro revenimento para revenir esta martensita (duplo ou triplo revenimento).

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• Durante o estágio 2, a austenita retida decompõe-se em ferrita bainítica e cementita. Para aços ao carbono as quantidades de austenita retida são:

%C % austenita retida

< 0,5% < 2,0 %

0,8% 6%

1,25% 30%

2° estágio do revenimento(entre 200°C e 300°C)

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3° estágio do revenimento( entre 330°C e 600°C)

• Tem início a precipitação de cementita (Fe3C) da martensita. Os precipitados de Fe3C têm a forma de bastonetes ou agulhas.

• A precipitação pode ocorrer em contornos de grão e provocar um efeito fragilizante (fragilidade azul).

• A sub-estrutura da martensita (com elevada concentração de discordâncias) começa a sofrer recuperação. Entre 400°C e 600°C a Fe3C esferoidiza e perde a coerência com a matriz.

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• A cementita precipita com morfologia do tipo Widmanstätten com uma relação de orientação com a matriz. A martensita perde tetragonalidade e transforma-se em ferrita.

3° estágio do revenimento( entre 330°C e 600°C)

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3° estágio do revenimento( entre 330°C e 600°C)

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• Nos aços ao carbono, a cementita sofre um processo de engrossamento e esferoidização. Este engrossamento inicia-se entre 300ºC e 400ºC e a esferoidização aumenta até 700°C.

• As ripas de martensita transformam-se em ferrita equiaxial por um processo de recristalização.

4° estágio do revenimento(entre 500°C e 650°C)

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4° estágio do revenimento(entre 500°C e 650°C)

• Este estágio é característico de aços-rápidos ou para trabalho a quente).

• Ocorre a precipitação de carbonetos secundários com os elementos de liga (Cr, V) provocando um endurecimento.

Aço H13: 0,4% C, 1%Si, 5%Cr, 1,5%Mo, 1% V

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Seqüência de revenimento de Speich (7)

A seqüência de revenimento apresentada por Speich é resumida com o auxilio da figura:

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Tempo de revenimento

• O efeito do tempo de revenimento em um aço SAE 1080 é mostrado na figura abaixo. São apresentadas quatro temperaturas de revenimento: 205°C, 315°C, 425ºC e 540ºC.

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Tempo de revenimento

• Verificam-se grandes alterações de dureza para tempos de revenimento inferiores a 10s.

• Menos rápidas, porém significativas alterações de dureza, para tempos entre 1 e 10 minutos e pequenas alterações para tempos de revenimento entre 1e 2 horas.

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Tempo de revenimento

• Como a cinética de revenimento é rápida, o tempo de revenimento é normalmente fixo em uma hora, “independente” da dimensão do componente.

• Esta regra decorre do fato de que os componentes empregados na construção mecânica (automobilística) possuem, normalmente, dimensões inferiores a 200 mm.

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Velocidade de resfriamento após o revenimento

• Preferencialmente, empregam-se velocidades de resfriamento elevadas após o revenimento (resfriamento em água) após o patamar de revenimento.

Note que o aço resfriado lentamente após o revenimento possui menor tenacidade (maior temperatura de transição).

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Fragilidades no revenimento

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Fragilidades ao revenido

• Durante o revenimento podem ocorrer dois tipos de fragilização (8):

– Fragilidade azul ou fragilidade da martensita (300°C) e

– Fragilidade ao revenido (500°C).

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Fragilidade azul (300°C)

• O revenimento de aços ao carbono e alguns aços baixa-liga na faixa de temperatura entre 230°C e 370ºC pode resultar na diminuição de ductilidade e tenacidade.

• Este fenômeno é denominado fragilidade azul (fragilidade dos 500°F ou fragilidade da martensita revenida) porque ocorre em temperaturas que o ar promove uma oxidação azulada na superfície usinada dos aços.

• O fenômeno é creditado a precipitação da cementita (Fe3C) em contornos de grão e entre as ripas de martensita. A precipitação por suas vez, seria decorrente da transformação da austenita retida em filmes de cementita nos contornos das ripas de martensita.

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Fragilidade azul (300°C)

• Redução de tenacidade decorrente da “fragilidade azul”

350°C

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Fragilidade azul (300°C)

Evidência da presença de austenita retida em contornos de martensita. No revenimento, esta austenita transforma-se em filmes de cementita nos contornos de ripas de martensita provocando a fragilidade da martensita (500ºF).

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Fragilidade azul (300°C)

• Aços ao carbono temperados e revenidos na faixa entre 230°C e 370ºC não devem ser empregados em componentes submetidos a impactos.

• Aços que necessitam ser revenidos nesta faixa crítica e serão sujeitos a impactos têm, em geral, adições de Mo ou Si que minimizam a fragilização.

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Fragilidade azul (300°C)

• O Si não dissolve na cementita e atrasa o início da 3ª fase do revenimento, retardando a precipitação de cementita (Fe3C) e aumentando o intervalo de temperatura em que o carboneto (Fe2,2C) é estável.

• Aços contendo Si podem ser revenidos à 250°C sem perda de dureza e com elevada tenacidade (aços ferramenta S).

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Fragilidade ao revenido (500°C)

• Quando aços ao carbono e baixa-liga são revenidos por longos períodos ou resfriados lentamente entre 375ºC e 575ºC, estes apresentam uma tenacidade inferior à obtida para temperaturas de revenimento mais baixas.

• Este fenômeno é chamado de fragilidade ao revenido reversível ou fragilidade dos 700°F.

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Fragilidade ao revenido (500°C)

• A fragilidade ao revenido provoca decoesão dos antigos contornos austeníticos (fratura intergranular).

• A causa deste fenômeno é creditada a segregação de compostos contendo impurezas como P, Sb, As, Sn.

• O intensidade da fragilização aumenta com a presença dos elementos de liga Mn, Cr e Ni.

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Fragilidade ao revenido (500°C)

• A cinética de fragilização obedece uma curva em C com o cotovelo entre 500°C e 550°C.

• Abaixo dos 370°C, a difusão destas impurezas é baixa e não ocorre a fragilização. Acima dos 565°C, estas difundem-se e retornam à condição não-fragilizante.

tempo

T

375°C

565°C

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Fragilidade ao revenido (500°C)

• Obviamente, quanto menor a concentração destas impurezas menores os efeitos na tenacidade.

• Aços submetidos a fragilização pelo revenido podem ter sua tenacidade restaurada pelo aquecimento até aproximadamente 600ºC, manutenção por alguns minutos e resfriamento rápido.

• O tempo para a restauração da tenacidade depende do teor de elementos de liga e da temperatura do reaquecimento.

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Referências

1) Tschiptschin, A. P. ; Goldenstein, H. ; Sinatora, A. Metalografia dos aços Curso da ABM 1988

2) Bhadeshia, H. K. D. H. ; Honeycombe, R. W. K. Steels Microstructure and properties third edition Elsivier 2006

3) Easterling E. ; Porter, D. A. Phase transformation in Metals and alloys

4) Thelning K. E. Steel and its heat treatement 2nd edition 1984

5) Heat Treater´s Guide ASM International

6) ASM Handbook v. 4 Heat Treatment ASM International 2001

7) Speich G. R.; Leslie, W. C. Tempering of steel Metallurgical Transactions v. 3 May 1972 p. 1043

8) Olefjord, I. Temper embrittlement - review 231 - International Metals Review 1978 n° 4 p. 149