Tratamentos Térmicos

Tratamentos Térmicos

(Parte 1 de 3)

Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 – Tratamentos Térmicos e de Superfície Profa. Izabel Machado

PMR 2202 Profa. Izabel F. Machado

Índice

1.IMPORTÂNCIA DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS2 2 TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS.4 2.1 Tratamento térmico de recozimento.4 2.2 Tratamentos Térmicos de Materiais Ferrosos. 6 2.2.1. Recozimento. 8 2.2.2. Normalização. 8 2.2 3. Têmpera9 2.2.4. Revenimento9 2.3 Tratamentos Térmicos de Materiais Não-Ferrosos. 1 2.3.1. Solubilização. 1 2.3.2. Envelhecimento 1 2.3.3. Homogeneização. 1 2.3.4. Recozimento. 1 3.TRATAMENTOS SUPERFICIAIS 13 3.1. Cementação.13 3.2. Nitretação.13 3.3. Carbonitretação. 14 3.4. Banhos de sal (Cianetos). 14 3.5. Têmpera superficial.14 3.5.1 Chama. 14 3.5.2 Indução. 14 3.6. Jateamento com Granalhas.14 4. EXERCÍCIOS.15 5. BIBLIOGRAFIA16 ANEXO 17

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1.IMPORTÂNCIA DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS

As propriedades mecânicas, bem como o desempenho em serviço, de um metal e em especial das ligas dependem da sua composição química, da estrutura cristalina, do histórico de processamento e dos tratamentos térmicos realizados. De forma simplificada os tratamentos térmicos podem ser descritos por são ciclos de aquecimento e resfriamento controlados em material metálico (metal ou liga) que causam modificações na microestrutura do mesmo. Essas modificações têm por conseqüência alterações nas propriedades mecânicas e no comportamento em serviço. A figura 1 ilustra ciclos de aquecimento e resfriamento correspondentes a tratamentos térmicos.

Figura 1. Representação esquemática de ciclos de tratamentos térmicos para o aço 4140.

A figura 2 ilustra o efeito de diferentes tratamentos térmicos nas propriedades mecânicas de um aço AISI 1040. Observa-se que em um único aço, isto é, com a mesma composição química, podem ser obtidas propriedades mecânicas muito diferentes realizando-se .tratamentos térmicos distintos.

Figura 2. Aço 1040 submetido a diferentes tratamentos térmicos.Tratamentos térmicos: Quenched (têmpera), tempered (revenimento), annealed (recozimento).

A figura 3 mostra as alterações na microestrutura e nas propriedades mecânicas de um aço submetido a diferentes tratamentos térmicos.

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Normalizado Dureza: 15 HRC

Normalizado Dureza: 30 HRC

Temperado Dureza: 55HRC

Temperado Dureza: 59 HRC

Figura 3. Diferentes microestruturas resultantes de tratamentos térmicos. Tratamentos térmicos de têmpera e de normalização.

Os fatores que determinam os tipos de tratamentos térmicos são: temperatura, taxas de aquecimento e resfriamento, tempo de permanência em uma determinada temperatura. A escolha adequada desses elementos está diretamente relacionada com a estrutura das ligas. Esquematicamente, a estrutura das ligas e os tratamentos térmicos relacionados com essas ligas são apresentados a seguir.

Metal puro + Elemento de Liga = Liga

Ligas Ferrosas

Aços Ferros fundidos

Toto: têmpera, recozimento, normalização, revenimento.

Ligas Não-ferrosas e Aços Inoxidáveis

Toto: solubilização, envelhecimento e recozimento.

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2 TIPOS DE TRATAMENTOS TÉRMICOS.

2.1 Tratamento térmico de recozimento.

Durante o processo de deformação mecânica, não só as dimensões do material são alteradas, mas também a microestrutura resultante no material deformado. Embora, a maior parte da energia gasta nos processos de conformação a frio seja perdida na forma de calor e apenas 2 a 10% dessa energia é armazenada na forma de defeitos cristalinos, esses defeitos causam um aumento de dureza significativo no material metálico. A esse fenômeno de aumento de dureza e resistência mecânica com o processo de deformação plástica ou mecânica é dado o nome de encruamento. A figura 4 mostra os efeitos do encruamento (deformação plástica) na resistência mecânica de algumas ligas. A figura 5 (b) ilustra a microestrutura de um material encruado.

Figura 4. Aumento da resistência à tração e diminuição de ductilidade de chapas de cobre e ligas de cobre após encruamento.

Figura 5. (a) Microestrutura de um material policristalino antes da deformação plástica (encruamento). (b) Microestrutura de material policristalino encruado, observa-se um alongamento dos grãos na direção de deformação.

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A eliminação e o rearranjo de defeitos cristalinos são processos termicamente ativados, isto é, são favorecidos em temperaturas mais elevadas onde a difusão dos átomos é maior. Portanto, se for conveniente eliminar ou diminuir o encruamento de um material deformado a frio pode ser realizado um tratamento térmico. Durante esse tratamento térmico ocorrem mudanças microestruturais e diminuição de dureza. Esse tratamento térmico é conhecido como recozimento. O recozimento consiste em colocar o material em uma temperatura acima da temperatura de recristalização por períodos de tempo que vão de minutos a poucas horas. O esquema da figura 6 ilustra o que ocorre durante o tratamento térmico de recozimento.

Os materiais metálicos também podem ser deformados a quente. Durante o processo de deformação a quente os defeitos são criados e logo após são rearranjados e/ou eliminados. De forma bastante simplificada pode-se dizer que pode-se obter durante o processo de deformação a quente uma microestrutura semelhante à microestrutura do material que não sofreu deformação plástica. A deformação a quente é caracterizada por ser realizada acima da temperatura de recristalização. Portanto, a temperatura de recristalização separa a deformação a quente da deformação a frio.

Figura 6. Influencia da temperatura do tratamento térmico na resistência na ductilidade de um latão. Recovery (recuperação)=rearranjo e eliminação de defeitos cristalinos sem alteração da microestrutura, mas com restauração parcial das propriedades do material, Recrystallization (recristalização)=ocorre eliminação de defeitos cristalinos pela migração de contornos de grão e grain growth (crescimento de grão).

A temperatura de recristalização, citada anteriormente, caracteriza-se por ser a temperatura na qual é necessária 1 hora para que o processo de recristalização se inicie e termine em um metal

Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 – Tratamentos Térmicos e de Superfície Profa. Izabel Machado ou liga. As temperaturas típicas de recristalização para metais e ligas estão entre 1/3 e ½ do ponto de fusão dos mesmos. É importante ressaltar que essa temperatura de recristalização depende de vários fatores tais como: pureza da liga (a recristalização ocorre mais rapidamente em metais puros do que em ligas), grau de deformação (energia armazenada na forma de defeitos cristalinos).

2.2 Tratamentos Térmicos de Materiais Ferrosos.

As ligas ferrosas são os materiais compostos a base de ferro. Essas ligas são os aços e os ferros fundidos.

Tanto os aços como os ferros fundidos têm como composição base o ferro e carbono.

Definem-se aços como sendo ligas compostas por ferro e teores de carbono de até 2% em peso. Já os ferros fundidos, possuem teores acima de 2% em peso de carbono. Usualmente os teores de carbono são sempre inferiores a 2% nos aços e superiores a 2% nos ferros fundidos. A figura 7 mostra um diagrama Fe-C, com algumas microestruturas características.

Figura 7. Diagrama Fe-C, com algumas microestruturas representativas de aços e ferros fundidos. Existem vários tipos de aços. Dentre eles estão os:

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1. Aços carbono (não possuem elementos de liga, além do carbono). 2. Aços baixa liga (possuem elementos de liga para melhorar a temperabilidade ou propriedades mecânicas). 3. Aços ferramenta (são aços que possuem elevados teores de elementos de liga, principalmente formadores de carbonetos e nitretos). 4. Aços inoxidáveis (apresentam elevados teores de elementos de liga, sua principal propriedade é a resistência à corrosão. O principal elemento de liga dos aços inoxidáveis é o cromo. A resistência à corrosão desses aços é promovida pela formação de óxidos de cromo na superfície do metal. Esses óxidos formam uma película aderente e contínua, semelhante à formada no alumínio). A figura 8 mostra microestruturas características de aços para construção mecânica (aços carbono e baixa liga). As regiões escuras da figura 8 correspondem a um composto chamado perlita e as regiões claras correspondem a uma fase chamada ferrita. A ferrita tem estrutura cristalina C e tem baixa solubilidade do carbono. Já a perlita, é composta de 2 fases (ferrita e cementita). A cementita é um carboneto de ferro (Fe3C), o qual é uma fase dura e frágil. A ferrita e cementita na perlita estão dispostas na forma de lamelas, como mostra de maneira detalhada a figura 8 (c) e esquematicamente a figura 8 (d).

Figura 8. Microestruturas características de aços para construção mecânica. (a) aço doce, (b) aço1020, (c) aço 1080 (eutetóide) e (d) ilustração esquemática de reação eutetóide, formação da perlita.

A primeira diferenciação que se faz dos aços neste texto é pela composição química. Os elementos de liga, bem como a quantidade de elementos de liga adicionada, vão depender da aplicação do aço, isto é, do requisito mais importante a ser levado em conta no projeto. Este requisito pode ser mecânico, econômico ou ligado ao ambiente (aços inoxidáveis). A outra diferenciação que deve ser feita, quanto se pensa em aços, é com relação ao tratamento térmico

Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 – Tratamentos Térmicos e de Superfície Profa. Izabel Machado realizado. Uma fase também muito importante que se forma nos aços é a martensita. Ela foi ilustrada na figura 3 (tratamento de têmpera). Essa fase resulta da transformação da austenita, que não é estável na temperatura ambiente, durante o resfriamento rápido dos aços. Cabe aqui uma observação, a maioria dos tratamentos térmicos realizados em aços parte da existência de austenita. Austenita é uma fase CFC, que está presente nos aços carbono acima de 723o C (eutetóide). Em análise bastante simplificada descreve-se que o resfriamento lento a partir da austenita resulta em ferrita e perlita (diagrama de equilíbrio apresentado na figura 7) e o resfriamento rápido a partir da austenita resulta em martensita. Essa fase não é descrita no diagrama de equilíbrio (diagrama de fases). Na verdade, existem produtos e resultados intermediários, como a formação de bainita, os quais não serão discutidos neste texto. São necessários outros tipos de diagrama para mostrar as trasformações fora da condição de equilíbrio, que são os digramas de tempo-temperaturatranformação e de resfriamento contínuo. Algumas formas de tratamentos térmicos, que podem ser realizados nos aços, são apresentadas em curvas de resfriamento contínuo e tempo-temperatura- transformação (T) apresentadas nas figura 9.

Figura 9. Curvas de tempo-temperatura-transformação (T) e de resfriamento contínuo.

Os tratamentos térmicos mais comumente realizados nos aços são:

2.2.1. Recozimento. Os tratamentos térmicos de recozimento podem objetivar a diminuição do encruamento e causar uma diminuição de dureza do material metálico. No caso específico dos aços o recozimento também caracteriza-se por um resfriamento lento (algumas horas, dependendo do tamanho da peça) a partir de uma temperatura onde exista 100% de austenita. Essa temperatura dependerá da composição do aço. O produto dessa reação é a formação de ferrita e de perlita. Existe também uma outra forma de tratamento térmico de recozimento, que na verdade é a chamada esferoidização da perlita. Esse tratamento consiste em tratar termicamente o aço em uma temperatura em torno da temperatura eutetóide (723oC) por várias horas.

A tensão de resistência de um material recozido (em kgf/mm2) pode ser calculada de maneira aproximada pela seguinte relação:

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