Têmpera

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.

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

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).

Têmpera

723°C

T [°C]

tempoAço 1040

Resfriamento rápido abaixo

de Mf

Microestrutura austenítica

Campo austenítico

860°C

Aços hipoeutetóides

Têmpera

723°C

T [°C]

tempoAço 1080

Resfriamento rápido abaixo

de Mf

Microestrutura austenítica

780°C

Campo austenítico

Aços eutetóides

Têmpera

Microestrutura resultante: Martensita

Têmpera

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.

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

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

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%

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.

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.

Têmpera em água

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

Têmpera em água

Têmpera em solução polimérica

Têmpera em água

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.

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.

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.

Têmpera em salmoura

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.

Têmpera em óleo

• Características relativas entre os óleos parafínicos e naftênicos

Têmpera em óleo

Efeito da viscosidade elevada

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

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.

Têmpera em ar

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

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

Algumas considerações sobre trincas de têmpera

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

Trincas de têmperaSusceptibilidade

Trincas de têmperaSusceptibilidade

Camada inicial de martensita Camada sub-

superficial austeníticat

• 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

Trincas de têmperaGênese

Trincas de têmpera• Aspecto das

trincas de têmpera

Trincas de têmpera

• Aspecto das trincas de têmpera

• Macro

• MEV

• Aspecto das trincas de têmpera - MEV

200 x 800 x

Trincas de têmpera

Martêmpera

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

Martêmpera

• Procedimento:

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

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.

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

Martêmpera

Microestrutura resultante:

Martensita

Martêmpera

S N

Martensita 62 HRC

Revenimento dos aços

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.

RevenimentoTem

pera

tura

tempo

Têmpera oumartêmpera

Revenimento

austenita

martensita

martensita revenida

trev = 1h

Trev = definida pela dureza final

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).

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

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

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.

Temperatura de revenimento

Temperatura de revenimento

Curva de revenimento aço SAE 8650

Curva de revenimento aço SAE 4140

Temperatura de revenimento

Temperatura de revenimento

Curvas de revenimento de aços-ferramenta

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).

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.

• 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)

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).

• 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)

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.

• 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)

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

• 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)

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

Seqüência de revenimento de Speich (7)

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

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.

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.

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.

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).

Fragilidades no revenimento

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).

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.

Fragilidade azul (300°C)

• Redução de tenacidade decorrente da “fragilidade azul”

350°C

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).

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.

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).

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.

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.

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

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.

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