CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE OS AÇOS

FEVEREIRO DE 2009

FERNANDA MITKE MARIA DE LACERDA ROCHA HOPPE ROCHAESTAGIÁRIA DO 5º PERÍODO DO CURSO DE ENGENHARIA METALÚRGICA

DA UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE

ÍNDICE

1-INTRODUÇÃO.............................................................................................................................................................32-NOÇÕES PRELIMINARES.........................................................................................................................................42.1- AÇOS .......................................................................................................................................................................42.1.1- AÇO AO CARBONO............................................................................................................................................42.1.2- AÇOS LIGA...........................................................................................................................................................42.1.3-AÇOS INOXIDÁVEIS...........................................................................................................................................42.1.3.1- AÇO INOX MARTENSITICO...........................................................................................................................42.1.3.2- AÇO INOX FERRITICO....................................................................................................................................52.1.3.3- AÇO INOX AUSTENITICO..............................................................................................................................52.2- INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA........................................................................................................62.3- DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DAS LIGAS FERRO-CARBONO......................................................................72.3.1-NOÇÕES PRELIMINARES...................................................................................................................................72.3.2 -INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DE FASES............................................................................................................................................................................102.3.2.1- FASES PRESENTES........................................................................................................................................102.3.2.2- COMPOSIÇÃO DAS FASES PRESENTES...................................................................................................102.3.2.3- DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES.............................................................................112.4- CONSTITUINTES PROVENIENTES DO RESFRIAMENTO CONTÍNUO.......................................................132.4.1- PERLITA..............................................................................................................................................................132.4.2- FERRITA.............................................................................................................................................................132.4.3- CEMENTITA.......................................................................................................................................................142.5- DIAGRAMA DE SHEAFFLER.............................................................................................................................153- TRATAMENTOS TÉRMICOS.................................................................................................................................163.1-NOÇÕES PRELIMINARES....................................................................................................................................163.1.1-CRESCIMENTO DOS GRÃOS...........................................................................................................................163.1.2- RECRISTALIZAÇÃO DOS GRÃOS DEFORMADOS A QUENTE...............................................................163.1.3- DEFORMAÇÃO A FRIO. ENCRUAMENTO..................................................................................................163.1.4- TRANSFORMAÇÕES ESTRUTURAIS NA RECRISTALIZAÇÃO E NO CRESCIMENTO DOS GRÃOS...........................................................................................................................................................................173.2- CURVAS DE TRANSFORMAÇÃO CONTÍNUA PARA OS AÇOS..................................................................183.2.1- INTERPRETAÇÃO DA CURVA T.T.T.............................................................................................................183.2.2- FATORES QUE DESLOCAM A CURVA TTT.................................................................................................183.2.2.1- COMPOSIÇÃO QUÍMICA.............................................................................................................................193.2.2.2- TAMANHO DE GRÃO AUSTENÍTICO.......................................................................................................193.2.2.3- HOMOGENEIDADE DA AUSTENITA........................................................................................................193.3- TRATAMENTOS TÉRMICOS COMUNS DOS AÇOS.....................................................................................203.3.1- RECOZIMENTO.................................................................................................................................................203.3.1.1- NOÇÕES PRELIMINARES............................................................................................................................203.3.1.2- TEMPERATURA DE RECOZIMENTO.........................................................................................................203.3.1.3- AQUECIMENTO ATÉ A TEMPERATURA..................................................................................................213.3.1.4- TEMPO DE PERMANÊNCIA NA TEMPERATURA...................................................................................213.3.1.5- RESFRIAMENTO............................................................................................................................................213.3.1.6- MICROESTRUTURAS E PROPRIEDADES..................................................................................................223.3.1.7- RECOZIMENTO SUBCRÍTICO E ALIVIO DE TENSÕES...........................................................................223.3.1.8- ESFEROIDIZAÇÃO / COALESCIMENTO....................................................................................................233.3.1.9- NORMALIZAÇÃO...........................................................................................................................................233.3.2- TÊMPERA DOS AÇOS ......................................................................................................................................233.3.2.1- NOÇÕES PRELIMINARES.............................................................................................................................233.3.2.2- ESTRUTURA MARTENSÍTICA.....................................................................................................................243.3.2.3- PROPRIEDADES DA MARTENSITA............................................................................................................243.3.2.4- DUREZA X % CARBONO X % MARTENSITA...........................................................................................243.3.2.5- TEMPO..............................................................................................................................................................243.3.2.6- TAMANHO DAS PEÇAS...............................................................................................................................253.3.2.7- RESFRIAMENTO............................................................................................................................................253.3.4- TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS DOS AÇOS...............................................................................................253.3.4.1- MARTÊMPERA...............................................................................................................................................253.3.4.2- MARTÊMPERA CONVENCIONAL...............................................................................................................26

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3.3.4.3- MARTÊMPERA MODIFICADA....................................................................................................................263.3.4.4-AUSTÊMPERA.................................................................................................................................................263.3.5- TÊMPERA SUPERFICIAL.................................................................................................................................273.3.5.1- NOÇÕES PRELIMINARES.............................................................................................................................273.3.5.2- TÊMPERA POR INDUÇÃO............................................................................................................................273.3.5.3- AQUECIMENTO POR CHAMA....................................................................................................................273.3.6- REVENIMENTO DOS AÇOS............................................................................................................................283.3.6.1- NOÇÕES PRELIMINARES.............................................................................................................................283.3.6.2- TRANSFORMAÇÕES DE FASE DURANTE O REVENIMENTO...............................................................283.3.6.3- EFEITO DO REVENIMENTO SOBRE AS PROPRIEDADES DOS AÇOS................................................283.3.7- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS..............................................................................................................293.3.7.1- NOÇÕES PRELIMINARES.............................................................................................................................293.3.7.2- CEMENTAÇÃO...............................................................................................................................................293.3.7.3- NITRETAÇÃO..................................................................................................................................................303.3.8- ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO.....................................................................................................303.3.8.1- SOLUBILIZAÇÃO SEGUIDA DE ENVELHECIMENTO............................................................................303.4- CONSTITUINTES PROVENIENTES DO RESFRIAMENTO DESCONTINUO...............................................323.4.1- CONSTITUINTES DOS AÇOS TEMPERADOS...............................................................................................323.4.2- CONSTITUINTES DOS AÇOS TEMPERADOS E REVENIDOS....................................................................333.4.2.1- MARTENSITA REVENIDA ( TEXTURAS SORBITICAS)..........................................................................345- PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS.............................................................................................355.1- CONSIDERAÇÕES GERAIS................................................................................................................................355.2- PRINCIPAIS ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS...............................................................................355.2.1- ENSAIO DE TRAÇÃO.......................................................................................................................................355.2.2- ENSAIOS DE DUREZA.....................................................................................................................................375.2.2.1- ENSAIO DE DUREZA BRINNEL..................................................................................................................375.2.2.2- ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL..............................................................................................................385.2.3- ENSAIO DE IMPACTO......................................................................................................................................395.3- ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS..........................................................................................................................425.3.1- LIQUIDOS PENERANTES.................................................................................................................................426- FTSA..........................................................................................................................................................................446.1- INTRODUÇÃO.......................................................................................................................................................446.2- CORTE DE CANAIS..............................................................................................................................................446.3- GOIVAGEM...........................................................................................................................................................446.4- REBARBA..............................................................................................................................................................446.5- JATO DE GRANALHA.........................................................................................................................................456.6- ACABAMENTO.....................................................................................................................................................456.7- INSPEÇÃO PRELIMINAR....................................................................................................................................456.8- TRATAMENTO TÉRMICO...................................................................................................................................456.8.1- AÇOS CARBONO (ASTM-27 e ASTM-216).....................................................................................................456.8.2- AÇO INOX MARTENSITICO (ASTM-217)......................................................................................................456.8.3- AÇO INOX AUSTENÍTICO (ASTM-351)........................................................................................................466.8.4- AÇO CARBONO FERRITICO MARTENSITICO (ASTM-352, AÇOS PARA TRABALHAR EM BAIXAS TEMPERATURAS.)......................................................................................................................................................466.9- JATO DE GRANALHA..........................................................................................................................................466.10- INSPEÇÃO FINAL...............................................................................................................................................466.11- RECUPERAÇÃO..................................................................................................................................................46BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................................................47

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1-INTRODUÇÃO

Este trabalho tem como objetivo abordar algumas questões básicas a respeito dos materiais metálicos, dando maior ênfase aos aços.

Falaremos a respeito dos tipos de aço, da influência dos elementos de liga nas propriedades dos materiais, das propriedades e ensaios mecânicos, dos tratamentos térmicos mais comuns, entre outras coisas.

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2-NOÇÕES PRELIMINARES

2.1- AÇOS

O aço é um dos materiais mais importantes utilizados na indústria mecânica. É usado na fabricação de peças com grandes solicitações mecânicas, principalmente, alongamento.

O teor de carbono do aço varia em ter 0,05 e 1,7%.

2.1.1- AÇO AO CARBONO

São os aços que contém pequenas porcentagens de carbono, silício, manganês, enxofre e fósforo.

O elemento mais importante é o carbono. O manganês e o silício melhoram a qualidade do aço e o enxofre e o fósforo são elementos deletérios.

Elementos residuais: nos aços ao carbono o teor desses elementos não pode passar de 1% ex: molibdênio, níquel, cromo, cobre...

2.1.2- AÇOS LIGA

Com a necessidade surgiu a descoberta dos aços liga que apresentam melhores propriedades que os aços ao carbono mediante a adição de outros elementos como níquel, cromo, molibdênio, cobre, entre outros.

2.1.3-AÇOS INOXIDÁVEIS

Os aços inoxidáveis são aços de baixo teor de carbono, ligados principalmente ao cromo, níquel e molibdênio.

Têm como principal característica a resistência a corrosão, mesmo em ambientes de alta temperatura. Isso se deve à presença do cromo, em teores maiores que 11%.

Corrosão: é a destruição de um corpo sólido a partir da superfície por processos químicos e/ou eletroquímicos. O processo mais freqüente que provoca essa destruição é o ataque do metal pelo oxigênio da atmosfera. Porém o material pode ser atacado e destruído por outras substâncias, tais como ácidos e outras soluções químicas.

O cromo em contato com o oxigênio permite a formação de uma película finíssima de oxido de cromo sobre a superfície do aço, que é impermeável e insolúvel em meios corrosivos usuais.

Os aços inox são classificados de acordo com a estrutura cristalina predominante na liga à temperatura ambiente.

Cromo equivalente: o conjunto de elementos que estabilizam a fase ferrita de uma ligaNíquel equivalente: o conjunto de elementos que estabilizam a fase austenita de uma

liga.

2.1.3.1- AÇO INOX MARTENSITICO

Essencialmente uma liga binária ferro-cromo com 12 a 17% de cromo.São endureciveis por têmpera, têm maior resistência mecânica e dureza, têm

propriedades magnéticas e apresentam baixa resistência a corrosão quando comparados com os aços inox ferriticos e austeniticos

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2.1.3.2- AÇO INOX FERRITICO

Essencialmente uma liga binária ferro-cromo com 12 a 30% de cromo.Sua estrutura mantém-se totalmente ferritica (CCC, do tipo ferro α) após tratamentos

térmicos normais.São relativamente baratos porque não têm grande teor de níquel e boa resistência ao

calor e à corrosão.

2.1.3.3- AÇO INOX AUSTENITICO

Ligas ternárias ferro-cromo-niquel com 16 a 25% de cromo e 7 a 20% de níquel.

Sua estrutura permanece austenitica (CFC, tipo ferro ) às temperaturas normais dos

tratamentos térmicos.A presença do níquel (CFC) permite que a estrutura CFC se mantenha à temperatura

ambiente.Têm elevada capacidade de deformação, devido a sua estrutura CFC, melhor resistência

a corrosão que os aços inox martensiticos e ferriticos e não são magnéticos.Se forem posteriormente soldados, ou aquecidos lentamente estão sujeitos a corrosão

intergranular.Corrosão intergranular: ocorre principalmente ao longo dos contornos de grão.

Algumas ligas quando aquecidas formam pequenos precipitados de carboneto de cromo (Cr23C6). Como tanto o cromo quanto o carbono devem se difundir até os contornos de grão para formar os precipitados, existe uma carência de cromo na zona dos contornos de grão, o que as deixa suscetível a corrosão.

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2.2- INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA

Carbono: o aumento do teor de carbono é a maneira mais barata para obter a resistência mecânica nos aços. Por outro lado, prejudica a ductilidade e a tenacidade do material. Teores elevados de carbono comprometem a soldabilidade e diminuem a resistência a corrosão atmosférica.

Manganês: é usado em praticamente todo aço comercial. O aumento do teor de manganês é uma maneira segura de melhorar a resistência mecânica, além de atuar positivamente na resistência mecânica e na resistência à fadiga.

Silício: é usado como desoxidante do aço. Favorece sensivelmente a resistência mecânica e a resistência à corrosão, porém reduz a soldabilidade.

Cobre: aumenta sensivelmente a resistência à corrosão atmosférica do aço, mas reduz de forma discreta a ductilidade, a tenacidade e a soldabilidade.

Níquel: aumenta a resistência mecânica, a tenacidade e a resistência à corrosão.

Cromo: aumenta a resistência à corrosão atmosférica e à abrasão. Reduz porém, a soldabilidade. Melhora o desempenho do aço a temperaturas elevadas.

Nióbio: eleva a resistência mecânica e melhora a soldabilidade. Em teores baixíssimos já notamos uma melhora no limite de escoamento e na resistência mecânica. Melhora a tenacidade, mas pode diminuir a ductilidade.

Titânio: aumenta o limite de resistência e a abrasão melhorando o desempenho a temperaturas elevadas.

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2.3- DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DAS LIGAS FERRO-CARBONO

2.3.1-NOÇÕES PRELIMINARES

Este diagrama é obtido experimentalmente por pontos e apresenta as temperaturas em que ocorrem as diversas transformações dessas ligas em função do seu teor de carbono. De 0 a 2.0% de C temos os aços e de 2,0 a 6,7% de C temos os ferros fundidos.

Fases: fase é a porção homogênea de um sistema que tem características físicas e químicas definidas. Todo metal puro é considerado uma fase. Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura. A interação de duas ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes. É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases.

Equilíbrio de fases: - Termodinamicamente o equilíbrio é descrito em termos de energia livre. Um sistema está em equilíbrio quando a energia livre é mínima. O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo.

Fases de equilíbrio: suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Fases metaestáveis: suas propriedades ou características mudam lentamente com o

tempo, ou seja, o estado de equilíbrio nunca é alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis. Fases metaestáveis não aparecem no diagrama de fases.

Aqui será abordada apenas a parte do diagrama que se refere aos aços.Os componentes fundamentais dos aços carbono são o ferro e o carbono. O carbono se

combina com uma parte do ferro, formando o carboneto de ferro Fe3C, que contem 6,7% de C.Quando o aço está no estado de fusão, o carbono se encontra totalmente dissolvido no

ferro, em solução homogênea.Ao esfriar-se é possível verificar que existe, para cada aço, de acordo com o seu teor de

carbono, uma certa temperatura à qual começa a solidificação. Esta prossegue à medida que a

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temperatura cai até atingir uma outra temperatura, que também é definida onde termina o resfriamento.

O lugar dos pontos de inicio da solidificação chama-se linha do liquidus, porque acima dessa linha o aço está totalmente liquido. O lugar dos pontos onde termina a solidificação chama-se linha do solidus, porque abaixo dessa linha o aço está totalmente sólido. Entre essas duas linhas o aço está em parte liquido e em parte sólido.

A perfeita solução que existe no estado liquido ainda existe após a solidificação total porque o ferro, a essas temperaturas, está sob a forma alotrópica, designada por ferro , que forma uma solução sólida com o carbono chamada austenita.

AUSTENITAA austenita permanece estável e homogênea até atingir a linha GE’S da figura. Abaixo

dela, a textura do aço sofre modificações gradativas que terminam com uma transformação completa 723ºC, assinalada no diagrama por uma linha horizontal.

A textura cristalina que os aços apresentam logo abaixo dessa linha se conserva até a temperatura ambiente.

A linha GE’S e a horizontal de 723ºC chamam-se linhas de transformação (porque marcam o inicio e o fim das transformações no estado sólido) e a região delimitada por essas linhas denomina-se zona critica (parte em cinza na figura).

A solubilidade do carbono em ferro é limitada e depende da temperatura. A 1130ºC a solubilidade é máxima e corresponde a 2% de carbono. A temperaturas mais baixas, a solubilidade decresce segundo a curva SE’, sendo de apenas 0,8% a 723ºC (ponto E’).

Limite de solubilidade: é a concentração máxima de átomos de soluto que pode dissolver-se no solvente, a uma dada temperatura, para formar uma solução sólida. Quando o limite de solubilidade é ultrapassado, forma-se uma segunda fase com composição distinta.

A linha SE’ assinala o inicio da precipitação do carbono que excede o máximo que o ferro gama pode manter em solução sólida na forma de Fe3C.

A precipitação ocorre nos contornos de grão da austenita para onde o carbono em excesso se dirige por difusão.

Forma-se assim uma orla de carboneto em torno de cada grão de austenita. Ocasionalmente pode ocorrer também uma precipitação de carboneto no interior do grão de austenita, ao longo de certos planos cristalográficos.

O carboneto de ferro, quando isolado, é designado, na terminologia metalográfica, por cementita.

Enquanto o esfriamento continua, a precipitação de cementita prossegue gradualmente até a temperatura de 723ºC, e, em conseqüência, o teor de carbono da austenita remanescente diminui gradativamente até 0,8%.

Ao atingir a referida temperatura, o ferro gama existente na austenita adquire uma nova forma alotrópica: o ferro alfa. Como a solubilidade do carbono no ferro alfa é muito pequena,

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dá-se nesse momento a separação daquele componente na forma de carboneto. Os dois constituintes tomam então uma disposição particular, em lamelas ou camadas alternadas. Cada grão da solução sólida austenita transforma-se, assim, ao passar pela linha horizontal de 723ºC, em grãos lamelares, que recebem o nome de perlita. Vista no microscópio em grande ampliação, a perlita apresenta um aspecto característico.

Do que acabamos de falar entendemos que aços com mais de 0,8% de C, esfriados lentamente, são constituídos, abaixo da zona critica, por grãos de perlita envolvidos por uma camada de cementita. Esta camada é evidentemente menos espessa para aços com teor de carbono pouco acima de 0,8% e inexistente nos aços com teor de carbono igual a 0,8%, que são constituídos apenas de grãos de perlita.

GRÃO DE PERLITA

Para os aços com teores de carbono inferiores a 0,8% a transformação do ferro gama em ferro alfa se desdobra em duas fases: uma gradual e outra brusca e completa. O inicio da primeira é assinalado pela linha GE’ e o da segunda, pela horizontal de 723ºC.

Como o ferro alfa forma uma solução pouco extensa com o carbono chamada ferrita, esta, à medida que vai aparecendo, se isola ou precipita, de preferência junto aos contornos dos grãos de austenita. Tende, assim, a formar um envólucro contínuo ao redor de cada grão de austenita, bem como em torno das inclusões, especialmente as de sulfuretos.

FERRITA

Certas causas fazem a ferrita tomar disposições ou formas especiais como em agulhas isoladas, ou entrecortando-se como lados de um triângulo, ou então, em áreas arredondadas, em faixas, em forma de espinha de peixe, etc.

Em conseqüência da separação o teor de carbono da austenita remanescente vai continuamente aumentando até atingir 0,8%, o que se dá quando a temperatura do aço passa por 723ºC.

Como já foi visto, a austenita com 0,8% de C passa por 723ºC e se transforma em perlita. Logo, todo aço com menos de 0,8% de carbono será constituído de ferrita e perlita. A porcentagem de perlita será cada vez menor se diminuirmos o teor de carbono, chegando a zero quando o teor de carbono chegar a 0,02%.

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Os aços com 0,8% de C são chamados de aços eutetóides. Os com menos de 0,8%, hipoeutetóides. Aqueles com mais de 0,8% de C, hipereutetóides.

As duas figuras abaixo mostram a microestrutura de aços de baixo (0,2% de C) e médio (0,45% de C) teor de carbono respectivamente. A parte branca é ferrita e a escura, perlita.

2.3.2 -INTERPRETAÇÃO DO DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DE FASES

2.3.2.1- FASES PRESENTES

Dadas a composição da liga e a temperatura em que se encontra, só precisamos localizar no diagrama o ponto que corresponde às condições dadas. Assim saberemos quais são as fases presentes em determinada liga a determinada temperatura

2.3.2.2- COMPOSIÇÃO DAS FASES PRESENTES

Usamos como ponto de partida a posição composição-temperatura da liga no diagrama de fases. Se apenas uma fase estiver presente, o procedimento é trivial: a composição desta fase é a mesma que a composição global da liga.

Para uma liga que possui composição e temperatura localizadas em uma região bifásica a situação é mais complicada. Em toda região bifásica podemos imaginar uma série infinita de linhas horizontais, uma para cada temperatura. Cada uma dessas linhas é conhecida como linha de amarração, ou algumas vezes como isoterma. Essas linhas de amarração se estendem através da região bifásica e terminam nas curvas de fronteira entre fases em ambas as extremidades da região bifásica. Para calcular as concentrações das duas fases em equilíbrio, usamos o seguinte procedimento:

1º construímos a linha de amarração no ponto composição-temperatura da liga.2º são anotadas as interseções da linha de amarração com as fronteiras entre as fases em

ambas as extremidades da linha.3º a partir dessas interseções são traçadas linhas perpendiculares à linha de amarração

até o eixo horizontal das composições, onde pode ser lida a composição para cada uma das respectivas fases.

2.3.2.3- DETERMINAÇÃO DAS QUANTIDADES DAS FASES

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As quantidades relativas (como fração mássica ou como porcentagem) das fases presentes em equilíbrio também podem ser calculadas com o auxílio do diagrama de fases.

A solução é obvia para uma região monofásica: uma vez que apenas uma fase está presente, a liga é composta inteiramente por aquela fase; isto é, a fração da fase é de 1 e a porcentagem é de 100%.

Se a posição composição-temperatura estiver localizada em uma região bifásica, a complexidade será maior. A linha de amarração deverá ser utilizada em conjunto com um procedimento chamado freqüentemente de regra da alavanca (ou regra da alavanca inversa). Aplicamos o procedimento da seguinte maneira:

1º construímos a linha de amarração;2º a composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração;3º a fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da linha de amarração

desde a composição global da liga até a fronteira de fases para a fase oposta, dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarração;

4º a fração da outra fase é determinada de maneira análoga;5º se forem desejadas as porcentagens das fases, a fração de cada fase é multiplicada por

100. Quando o eixo da composição tem sua escala em porcentagem em peso (como o diagrama Fe-Fe3C) as frações das fases calculadas usando a regra da alavanca são as frações mássicas – a massa ou peso de uma fase específica dividida pela massa ou peso total da liga. A massa de cada fase é calculada a partir do produto entre a fração de cada fase e a massa total da liga.

No emprego da regra da alavanca, os comprimentos dos seguimentos da linha de amarração podem ser determinados pela medição direta no diagrama de fases usando uma régua, ou subtraindo as composições a partir da leitura das mesmas no eixo das composições.

Exemplo: uma liga de ferro com 2,0% de C, á 910ºC está representada pelo ponto vermelho na figura. Qual a fração mássica de austenita e qual a fração mássica de cementita presente na liga a essa temperatura?

Solução:

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A linha de amarração é a linha vermelha desenhada no diagrama. Considere que a composição global da liga está localizada ao longo da linha de amarração e é identificada como Co. As frações mássicas estão representadas por Wa e Wc, respectivamente, para as fases austenita e cementita. Do gráfico tiramos que:

Ca= 1,2Cc= 6,7Co= 2.0R= 2 - 1,2 = 0,8S= 6.7 – 2 = 4,7A partir da regra da alavanca o valor de Wa pode ser calculado de acordo com a fórmula

ou , pela subtração das composições . Logo, temos:

ou

O resultado de ambas as equações é 0, 854545... de fração mássica de austenita, ou aproximadamente 85%.

Novamente usando a regra da alavanca, o valor de Wc pode ser calculado de acordo

com a fórmula , ou pela subtração das composições ,

portanto:

ou

As duas equações deram o mesmo resultado novamente: 0, 145454... de fração mássica ou aproximadamente 15% de cementita, resultado esse que somado ao Wa é igual a um ou 100%.

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2.4- CONSTITUINTES PROVENIENTES DO RESFRIAMENTO CONTÍNUO

2.4.1- PERLITA

A 723ºC o ferro presente na austenita adquire uma nova forma: o ferro α. A solubilidade do carbono em ferro α é muito pequena; logo, ele se separa em forma de carboneto. O carboneto de ferro (Fe3C) e o ferro α formam lamelas alternadas muito finas. Cada grão de austenita ao passar por 723ºC se torna um grão lamelar e recebe o nome de perlita.

A perlita existe como grãos chamados freqüentemente de colônias. Dentro de cada colônia, as camadas estão orientadas essencialmente na mesma direção, a qual varia de uma colônia para outra. Mecanicamente a perlita apresenta propriedades intermediarias entre a ferrita, que é macia e dúctil, e a cementita, que é dura e frágil.

As camadas de perlita e ferro α e cementita se formam como tal porque a composição da fase inicial - neste caso, a austenita (0,76%p C) - é diferente de ambas as fases geradas e porque a transformação de fase exige uma redistribuição do carbono por difusão.

2.4.2- FERRITA

É uma solução sólida de ferro α que se origina na zona crítica por transformação alotrópica (mesmo elemento que se recristaliza com outra estrutura cristalina ferro α é CCC e ferro é CFC) do ferro . É uma forma estável à temperatura ambiente. A 723ºC tem no máximo 0, 025% de C.

A ferrita se precipita ao redor dos grãos de austenita tomando a forma de agulhas, lados de um triângulo, ou ainda de espinhas de peixe.

Quando a austenita passa por 723ºC, ela se transforma em perlita. Logo, todo aço com menos de 0.8% de C, abaixo da temperatura de 723ºC, esfriado lentamente, será constituído de ferrita e perlita. Quanto menor a porcentagem de carbono, menos perlita e mais ferrita teremos.

Em relação aos outros constituintes, a ferrita é pouco dura e pouco resistente. Além disso, ela é muito dúctil e fortemente atraída pelo imã (o ferro não possui propriedades magnéticas).

FERRITA (BRANCA) E PERLITA (ESCURA)

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2.4.3- CEMENTITA

É o nome dado ao carboneto de ferro (Fe3C). É de grande dureza e muito quebradiça.

Dos constituintes é o mais duro, devido ao seu teor de carbono (6,7 %p de C). Forma-se

quando o limite de solubilidade do carbono é ultrapassado. Se cristaliza no sistema

ortorrômbico (com 12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária) e é um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro a e C seja muito lenta.

A adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita

Abaixo as figuras esquematizam o processo de resfriamento de duas ligas. A primeira hipoeutetóide e a segunda hipereutetóide.

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2.5- DIAGRAMA DE SHEAFFLER

Quando falamos de aços ligados, temos um meio de classificá-los de acordo com os constituintes presentes nele à temperatura ambiente.

Com base na composição química do aço em questão, calculamos o cromo equivalente e o níquel equivalente para ele. Depois é só consultar o diagrama para saber em qual categoria esse material se encaixa. Obs.: o diagrama de Sheaffler só é válido para aços ligados.

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3- TRATAMENTOS TÉRMICOS

3.1- NOÇÕES PRELIMINARES

3.1.1- CRESCIMENTO DOS GRÃOS

Quando aquecemos o material acima da zona crítica seus constituintes voltam à forma de austenita. Se esse aquecimento se prolongar ou atingir temperaturas muito altas (sem ultrapassar a linha solidus), os grãos de austenita crescem absorvendo os grãos vizinhos menos instáveis (quanto maior a temperatura, mais rápido isso acontece) quando seus átomos migram através dos contornos de grão.

Quando o material volta à temperatura ambiente a austenita se transforma nos devidos constituintes, mas o tamanho exagerado do grão permanece.

O fósforo e o silício também são causadores desse fenômeno e o níquel retarda esse processo.

Entre materiais de mesma composição química, os que têm uma granulação mais fina têm melhores propriedades. Isso porque os grãos adjacentes possuem, em geral, orientações cristalográficas diferentes e um contorno de grão comum. Durante a deformação plástica, o escorregamento ou movimento das discordâncias deve ocorrer através desse contorno de grão comum.

Uma vez que os dois grãos possuem orientações diferentes, uma discordância para passar de um grão para o outro terá que mudar a direção do seu movimento. Isso se torna cada vez mais difícil mediante o aumento das diferenças nas orientações cristalográficas.

Por isso um material com granulação fina apresenta melhores propriedades que um material de granulação grosseira uma vez que, quanto mais fina a granulação, maior é a área dos contornos de grão.

Superaquecimento: tem como conseqüência um aço de granulação grosseira devido ao tempo ou temperatura excessivos. Com tratamento térmico ele pode se regenerar e voltar à granulação normal.

Queima: quando ocorre o superaquecimento a temperaturas vizinhas à linha solidus o aço fica ainda mais frágil e oxidado no contorno de grão. Neste caso ele não pode ser recuperado.

3.1.2- RECRISTALIZAÇÃO DOS GRÃOS DEFORMADOS A QUENTE

Trabalho a quente: trabalho mecânico realizado a temperaturas acima da zona critica.Os grãos deformados no trabalho a quente iniciam sua recristalização imediatamente

sob a forma de novos pequenos grãos, de modo que, quando o trabalho termina, o material não apresenta grãos deformados.

Obs.: Se o trabalho a quente terminar a uma temperatura muito acima da zona critica ocorre o crescimento dos grãos, favorecido pela alta temperatura e pela demora ao atingir a zona critica.

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3.1.3- DEFORMAÇÃO A FRIO. ENCRUAMENTO.

Trabalho a frio: trabalho realizado a temperaturas abaixo da zona critica ou à temperatura ambiente.

Os grãos são deformados plasticamente pelo trabalho a frio.

Obs.: Deformação plástica ocorre quando o material é submetido a esforços superiores ao seu limite de escoamento e, quando os esforços cessam o material não volta a sua forma original, permanecendo deformado. Deformação elástica só existe quando o esforço está atuando; quando o esforço cessa, o material volta ao seu estado original.

Encruamento: resultado do trabalho a frio. Os grãos ficam alongados paralelamente ao esforço de tração e perpendicularmente ao de compressão.

Evita-se trabalhar com o aço na zona crítica, em virtude da irregularidade de suas propriedades.

O encruamento altera quase todas as propriedades do material: aumenta a resistência a tração, o limite de escoamento, a dureza, a fragilidade, a resistência elétrica, e diminui o alongamento, a estricção (redução de área), a resistência a corrosão, entre outras.

O material encruado recristaliza a uma temperatura mais baixa que o material não encruado.

O recozimento e conseqüentemente a recristalização revertem o encruamento.

3.1.4- TRANSFORMAÇÕES ESTRUTURAIS NA RECRISTALIZAÇÃO E NO CRESCIMENTO DOS GRÃOS

Recristalização e crescimento dos grãos são duas etapas do mesmo fenômeno, que é a transformação de cristais deformados e instáveis em cristais mais perfeitos e estáveis.

A recristalização exige o aparecimento de pequenos agrupamentos atômicos mais estáveis, ou núcleos, que crescem recebendo átomos de cristais vizinhos mais deformados até se transformarem em grãos.

Já no crescimento dos grãos, não há necessidade do aparecimento de núcleos pois os grãos mais perfeitos atuam como núcleos, recebendo átomos dos vizinhos menos estáveis.

O aparecimento de núcleos de recristalização acontece nas regiões mais instáveis da estrutura cristalina: contornos de grão, regiões vizinhas a inclusões e deformadas por trabalho a frio. Por isso, quanto maior for o encruamento do material mais fina será sua granulação no fim da recristalização, porque o numero de zonas com capacidade de produzir núcleos de recristalização é maior.

Como a velocidade de formação dos núcleos afeta a recristalização e também a velocidade de seu crescimento, o tempo tem grande influência nesse processo, ou seja, quanto mais rápido o aquecimento, mais grosseira será a granulação.

Fósforo e silício elevam as temperaturas da zona critica e o manganês abaixa.

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3.2- CURVAS DE TRANSFORMAÇÃO CONTÍNUA PARA OS AÇOS.

As curvas TTT (tempo-temperatura-transformação) dos aços eram obtidas antigamente pelo método metalográfico. Hoje em dia elas são construídas através de um Dilatômetro, equipamento que fornece medidas sensíveis da dilatação ou contração dos corpos de prova durante o resfriamento e mudança de fase.

3.2.1- INTERPRETAÇÃO DA CURVA T.T.T.

EIXO X: Tempo em escala logarítmica.EIXO Y: esquerda (Temperatura °C) e a direita (dureza HRC do constituinte obtido

isotermicamente).LINHAS A1 e A3: Temperaturas correspondentes, dos aços hipoeutetóides, no diagrama

Ferro Carbono.LINHA Ms: Temperatura de início de transformação da Martensita.LINHA M90: corresponde a 90% de transformação da austenita em Martensita.LINHA Mf: Temperatura de fim de transformação da austenita em Martensita. Quanto

maior o teor de carbono e de elementos de liga, esta temperatura pode estar abaixo da temperatura ambiente, levando à formação indesejável da austenita retida. Normalmente, a linha Mf não é indicada nas curvas T.T.T.

3.2.2- FATORES QUE DESLOCAM A CURVA TTT.

Três são os fatores que influem na posição das linhas de transformação das curvas TTT. - Composição Química.

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- Tamanho de Grão Austenítico. - Homogeneidade da Austenita.

3.2.2.1- COMPOSIÇÃO QUÍMICA.

Além do carbono, todos os elementos de liga adicionados aos aços, com exceção do cobalto, deslocam as linhas de início e fim de transformação para a direita. Quando os aços são aquecidos acima do limite superior da zona crítica, praticamente todos os elementos encontram-se dissolvidos na austenita.

No resfriamento, ao passar pela zona crítica, alguns elementos tendem a ficar dissolvidos na ferrita e outros a formar carbonetos. As reações que ocorrem são complexas e tanto mais numerosas quanto maior o número de elementos de liga e seu teor (até um certo limite). O início e término dessas reações ocorrem após um determinado tempo, o qual é função dos elementos de liga presentes. Isto explica o deslocamento das linhas de início e de fim de transformação da austenita que ocorrem para os aços, mais intensamente para alguns, facilitando a obtenção da estrutura martensítica.

Os elementos de liga deslocam também as linhas de início (Mi ou Ms) e fim de transformação (Mf) da martensita, abaixando-as. Alguns aços ligados, após cementação, têm a linha Mf localizada abaixo da temperatura ambiente, apresentando então uma certa quantidade de austenita não transformada ("austenita retida" ou "austenita residual"). De todos os elementos, o carbono tem maior influência na temperatura Ms. Entre 0,3 e 0,4% C já existe uma pequena quantidade de austenita retida. A maioria dos aços contendo mais do que 0,5%C tem o Mf abaixo da temperatura ambiente.

Em outras palavras, os elementos de liga retardam a formação da perlita.

3.2.2.2- TAMANHO DE GRÃO AUSTENÍTICO

Como todos os produtos de transformações isotérmicas (ferrita, perlita bainita) são produtos de reações de nucleação e crescimento, e o aparecimento de núcleos de novas fases ocorre preferencialmente nos contornos de grão, com a diminuição do tamanho do grão, aumenta a área dos contornos de grão. Um material com granulação mais fina apresenta uma maior velocidade de nucleação.

Portanto os aços de granulação grosseira terão maior temperabilidade do que os de granulação fina.

Quanto maior o tamanho de grão austenítico tanto mais para a direita são deslocadas as linhas de início e fim de transformação. Os produtos de transformação da austenita, ferrita e perlita, iniciam-se nos contornos de grão por nucleação e crescimento. Um aço de granulação grosseira levará mais tempo para transformar-se do que um de granulação fina e homogênea, que pode ser obtida através do tratamento térmico de normalização.

Na prática dos tratamentos térmicos, recomenda-se o uso de uma granulação fina.Grão grosseiro desloca a curva, facilita a têmpera, mas nesse caso isto é ruim, pois

fragiliza o material. Temperaturas altas aumentam o tamanho do grão, tais como soldagem e fundição.

3.2.2.3- HOMOGENEIDADE DA AUSTENITA

Quanto mais homogênea a austenita tanto mais para a direita são deslocadas as linhas de início e fim de transformação. Áreas ricas em carbono, impurezas não dissolvidas (inclusões) ou a presença de carbonetos residuais atuam como núcleos de formação da perlita, diminuindo a temperabilidade dos aços.

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3.3- TRATAMENTOS TÉRMICOS COMUNS DOS AÇOS

3.3.1- RECOZIMENTO.

3.3.1.1- NOÇÕES PRELIMINARES

O recozimento consiste no aquecimento e manutenção a uma determinada temperatura, seguido de um resfriamento com velocidade adequada (normalmente no próprio forno), com o objetivo de amolecer os materiais metálicos.O recozimento altera as propriedades mecânicas e elétricas, assim como a microestrutura. O recozimento é aplicado quando se deseja melhorar a condição de trabalhabilidade (usinagem, estampagem, etc.), provocada pela queda na dureza e resistência mecânica. É utilizado também para eliminar a estrutura bruta de fusão.

O recozimento é composto de três estágios:Recuperação - Este primeiro estágio do recozimento é verificado a temperaturas baixas.

Nele ocorre um rearranjo das discordâncias de modo a adquirir configurações mais estáveis, embora não haja, pelo menos aparentemente, mudança na quantidade de defeitos presentes. Não há nenhum efeito sensível sobre as propriedades do material.

Recristalização – Em temperaturas mais elevadas, verifica-se grande alteração na microestrutura do metal, com variações nas propriedades mecânicas. A recristalização é um fenômeno de nucleação.

Crescimento de Grão – A temperaturas mais elevadas, os grãos recristalizados tendem a crescer, mediante um mecanismo que consiste na absorção, por parte de alguns grãos, dos grãos circunvizinhos. A força propulsora do crescimento de grão é a energia superficial dos contornos de grão dos grãos recristalizados.

3.3.1.2- TEMPERATURA DE RECOZIMENTO.

Existem tabelas que indicam as temperaturas de recozimento. Para os aços eutetóides (0,77%C) e hipoeutetóides (0,008%C a 0,77%C) as temperaturas são da ordem de 50°C acima da linha A3 e para os aços hipereutetóides (0,77%C a 2,11%C) é 50°C acima da linha A1 (nestes é realizado o recozimento subcrítico).

Uma representação esquemática do ciclo de tratamento para o recozimento, comparando-se com o de normalização:

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3.3.1.3- AQUECIMENTO ATÉ A TEMPERATURA.

Devido ao aquecimento provocar dilatação e mudança de fase, ele deve ser homogêneo para evitar empenamentos e trincas. Portanto, sempre que possível, ele deve ser aquecido junto com o forno.

3.3.1.4- TEMPO DE PERMANÊNCIA NA TEMPERATURA.

Para o recozimento é recomendado manter o aço na temperatura (a partir do momento em que o núcleo da peça atingir a temperatura) por um tempo adicional para que haja completa homogeneização (difusão do carbono).

Em geral é recomendado, para aços-carbono comuns, um tempo de 1 hora por polegada de espessura da peça, tempo este contado quando o núcleo atingir a temperatura desejada. Aços com elementos de liga exigem maior tempo, principalmente se esses elementos são formadores de carbonetos (V, Cr, W, Nb, Ti, etc.).

3.3.1.5- RESFRIAMENTO

Geralmente os aços são resfriados dentro do próprio forno desligado. Em alguns casos podem ser resfriados um pouco mais rapidamente sendo mergulhados em areia, cinza ou cal. Peças grandes podem ser resfriadas ao ar, devido à sua baixa velocidade de resfriamento. O resfriamento deve ser lento na faixa em que a austenita se transforma (730 a 600°C).Para aços-carbono até 0,5%C podem ser utilizadas taxas de até 50°C/h e para aços-carbono acima de 0,5%C recomenda-se 15°C/h.

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Depois que a austenita se transformou, pode resfriar-se o aço mais rapidamente até a temperatura ambiente para reduzir o tempo de tratamento, tomando-se cuidado com o choque térmico.Constituintes - Recozimento - Ferrita +Perlita

Normalização - Ferrita + PerlitaTempera - Martensita

3.3.1.6- MICROESTRUTURAS E PROPRIEDADES.

Os aços recozidos têm como constituintes na temperatura ambiente (estudado no diagrama Ferro-Carbono):

Aços Hipoeutetóides: (0,008-0,77%C) Perlita Grosseira + FerritaAços Eutetóides: (0,77%C) Perlita Grosseira.Aços Hipereutetóides: (0,77-2,11%C) Perlita Grosseira + Rede de Cementita

3.3.1.7- RECOZIMENTO SUBCRÍTICO E ALIVIO DE TENSÕES

Este tratamento visa recuperar a ductilidade do aço trabalhado a frio e elimina tensões residuais que podem causar trincas e empenamentos.

Consiste em aquecer o aço a uma temperatura abaixo de A1, normalmente na faixa de 600 a 680o C, seguido de resfriamento lento.

Neste processo não ocorre a transformação da Austenita, pois não chega à temperatura de austenitização.

3.3.1.8- ESFEROIDIZAÇÃO / COALESCIMENTO

Este é um tratamento que visa produzir uma microestrutura esferoidal constituída de pequenas partículas aproximadamente esféricas de carboneto num fundo ou matriz ferrita.

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Essa estrutura é obtida em aços de médio e alto carbono e caracteriza-se por ser dúctil e ao mesmo tempo de alta usinabilidade, de modo que a mesma é muito favorável para as operações de usinagem a que são submetidas peças de aço de alto teor de carbono antes de sua têmpera.

Uma das técnicas mais empregadas, e também rápida, consiste em efetuar-se uma austenitização parcial ou total e, em seguida, manter o aço logo abaixo da linha A1, ou resfriar muito lentamente na faixa correspondente a A1 ou mediante aquecimento alternado logo acima e logo abaixo da linha A1.

3.3.1.9 - NORMALIZAÇÃO

A Normalização é um tratamento térmico que consiste no aquecimento do aço até sua completa austenitização, seguido de resfriamento ao ar.

As temperaturas de tratamento são da ordem de 30°C superiores as de recozimento para produzir uma estrutura austenítica mais uniforme. Os aços hipereutetóides são aquecidos acima de 50°C acima da linha Acm, a fim de dissolver a rede de cementita formada no processo anterior.

Além da melhor uniformidade da estrutura, o objetivo maior da normalização é a homogeneização e o refino do tamanho de grão de estruturas obtidas de trabalho a quente (laminação, forjamento), de aços fundidos e soldagem.

A Normalização se faz normalmente, para aços com até 0,4% C. Antes do tratamento térmico de têmpera é recomendada a normalização para evitar o aparecimento de trincas e empenamento.

Constituintes Estruturais resultantes Hipoeutetóide ferrita + perlita fina Eutetóide perlita fina Hipereutetóide cementita + perlita fina

3.3.2- TÊMPERA DOS AÇOS

3.3.2.1- NOÇÕES PRELIMINARES

A têmpera consiste em resfriar o aço, a partir de uma temperatura de austenitização, a uma velocidade suficientemente rápida (água, salmoura, óleo e ar) para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça em questão. Deste modo obtêm-se a estrutura martensitica.

Essa velocidade de resfriamento dependerá da posição das curvas em C, ou seja, do tipo do aço e da forma e dimensões da peça.

Depois da têmpera com a formação da martensita, o material apresenta níveis de tensões internas muito altos, devido ao resfriamento drástico e pela brusca mudança de fases. Então, imediatamente após a têmpera, é preciso que essas tensões sejam aliviadas ou eliminadas para devolver ao aço o equilíbrio necessário.

Temperabilidade: capacidade de um aço adquirir dureza por têmpera a uma certa profundidade.

Obs.: A têmpera gera tensões. Por isso deve-se fazer revenido posteriormente.

3.3.2.2- ESTRUTURA MARTENSÍTICA

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Do nome alemão Adolf Martins, que pesquisou a microestrutura encontrada em aços resfriados rapidamente, é que surgiu o nome de MARTENSITA.

A perlita se forma por nucleação e crescimento, isto é, por difusão do carbono. A bainita se forma por difusão e cisalhamento, enquanto a martensita se forma apenas por cisalhamento. Pelo fato da martensita não se formar por difusão, os átomos de carbono não se difundem (migram) para formar a ferrita e a cementita, e são retidos nos interstícios octaédricos da estrutura CCC, produzindo essa nova fase. A solubilidade do carbono na estrutura CCC é muito baixa, então, os átomos de carbono expandem a célula unitária em uma direção, fazendo com que a martensita assuma a estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC). Como não ocorre nenhuma reação, a composição química da martensita é a mesma da austenita que lhe deu origem.

3.3.2.3- PROPRIEDADES DA MARTENSITA.

A dureza da Martensita é função do seu teor de carbono.A dureza máxima num aço-carbono está associada a uma estrutura completamente martensítica. Os elementos de liga favorecem a martensita.

Porém, a têmpera aumenta a fragilidade do material (o aço se torna quebradiço).

3.3.2.4- DUREZA X % CARBONO X % MARTENSITA

A figura abaixo mostra a relação entre a dureza, % de carbono e a quantidade de martensita presente.

A martensita tem alta dureza, alta resistência mecânica, alta resistência à fadiga e ao desgaste. Esta variação nas propriedades do aço, quando temperado, está relacionada com a distorção que os átomos de carbono provocam na estrutura tetragonal de corpo centrado da martensita.

3.3.2.5- TEMPO.

O tempo de aquecimento é menos importante, no processo de têmpera, que a temperatura atingida em toda a seção, uniformidade de temperatura, tempo de permanência e velocidade de resfriamento. Aquecimento vagaroso é recomendado para peças de grandes

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variações nas suas seções. Independentemente da secção, um tempo de 15 minutos na temperatura é suficiente para realizar a têmpera.

3.3.2.6- TAMANHO DAS PEÇAS

A massa e o volume das peças têm grande influência na têmpera dos aços, pois durante o resfriamento existe um gradiente de temperatura do centro para a periferia.

Devido às diferentes velocidades de resfriamento nos diversos pontos de uma peça, pode ocorrer que num dado meio a têmpera se dê apenas na superfície, deixando o aço com valor de dureza baixa no núcleo.

Em vista disso, para se escolher o meio ideal para têmpera, deve-se analisar com muito cuidado a temperabilidade do aço.

3.3.2.7- RESFRIAMENTO

A escolha do banho depende da têmpera que se quer dar e da qualidade do aço a ser temperado, porque certos aços trincam e empenam quando temperados em água, e só suportam têmpera branda.

Água: é bastante eficiente e econômico, mas à medida que a água aquece sua capacidade de tempera diminui consideravelmente.

Soluções de cloreto de sódio: acima de 10% não são recomendadas. Depois da têmpera as peças devem ser muito bem enxaguadas, pois o sal acelera a corrosão.

Soluções de soda: são igualmente usadas em concentrações baixas. Dão às peças uma cor clara e não as enferrujam. Estas soluções devem ser manipuladas com cuidado porque são cáusticas.

Soluções aquosas de glicerina: fornecem banhos de têmpera intermediários entre a água e o óleo.

Óleos: são meios de têmpera em geral brandos, empregados quando há perigo de trincas e empenamentos e quando a peça apresenta tensões internas excessivas. Dos óleos, os minerais são os preferidos por não se deteriorarem com o uso. Ao escolher um óleo devemos levar em consideração sua capacidade de têmpera, sua estabilidade, sua passividade química em relação ao material quente e se não é inflamável.

É preciso que o banho esteja em proporções adequadas ao tamanho da peça.É importante agitar a peça no banho durante a têmpera para assegurar um resfriamento

mais rápido e uniforme. Se não agitarmos o banho, a pressão do vapor se desenvolve junto à peça e impede a aproximação de novas camadas líquidas, o que torna o resfriamento mais lento. 3.3.4- TRATAMENTOS ISOTÉRMICOS DOS AÇOS.

A têmpera convencional (resfriamento, salmoura, água e óleo) gera tensões na peça devido a dois fatores: superfície e centro contraem em tempos diferentes e superfície e centro transformam-se em tempos diferentes.

3.3.4.1- MARTÊMPERA.

A martêmpera é um processo utilizado para eliminar ou minimizar os riscos de trincas e empenamentos em peças que devem ser temperadas.

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O resfriamento é temporariamente interrompido, criando um passo isotérmico, no qual toda a peça atinge a mesma temperatura. A seguir o resfriamento é feito de forma que a martensita se forma uniformemente através da peça. A ductilidade é conseguida através de um revenimento final.

3.3.4.2- MARTÊMPERA CONVENCIONAL.

Consiste em resfriar o aço austenitizado em um banho de sal ou óleo a uma temperatura ligeiramente superior ou inferior a Mi, e manter nessa temperatura por certo tempo para que haja uma uniformização da temperatura da peça (superfície e núcleo). A seguir, resfriar a peça ao ar até a temperatura ambiente. Após a martêmpera o aço deve ser revenido.

3.3.4.3- MARTÊMPERA MODIFICADA.

A diferença é a temperatura do banho, que é bem inferior à da martêmpera convencional, abaixo da linha Ms. Neste caso obtêm-se maiores velocidades de resfriamento que no processo convencional, sendo indicado para aços de baixa temperabilidade.

A martêmpera limita-se a espessuras de 5 a 8 mm para aços carbono, podendo-se chegar a espessuras maiores para aços ligados.

3.3.4.4-AUSTÊMPERA.

Consiste em austenitizar o aço a uma temperatura adequada e resfriar num banho mantido a uma temperatura de 250 a 400°C dependendo da composição do aço. Manter a peça o tempo suficiente para que ocorra isotermicamente a transformação total da austenita em bainita. Resfriar a peça até a temperatura ambiente em ar calmo.

A principal vantagem da austêmpera é a obtenção de elevada dureza com boa ductilidade e tenacidade. Após a austêmpera o aço não precisa ser revenido.

A principal limitação do processo se refere às dimensões das peças a serem tratadas. Para aços carbono, limita-se a peças com espessura inferior a 5mm. Em aços de alto teor de elementos de liga, a austêmpera pode ser impraticável em virtude da curva de transformação estar deslocada muito para a direita, o que exigiria um tempo muito longo.

Abaixo a curva TTT para austêmpera e martêmpera, respectivamente. :

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3.3.5- TÊMPERA SUPERFICIAL.

3.3.5.1- NOÇÕES PRELIMINARESÉ utilizado em peças como engrenagens, que necessitam de alta dureza superficial e

resistência ao desgaste, e baixa dureza no núcleo para resistir as tensões geradas enquanto a peça trabalha.

A têmpera superficial consiste no aquecimento superficial até uma certa profundidade, em temperaturas de austenitização superiores à da têmpera convencional. O tempo de aquecimento é muito pequeno (alguns segundos) e o resfriamento se dá normalmente em água, podendo em certos casos ser utilizado o óleo ou mesmo o ar.

Obtêm-se na superfície alta resistência e dureza, melhorando significativamente a fadiga e resistência ao desgaste. O núcleo "frio" mantém sua tenacidade geralmente alta.

Um exemplo típico é a têmpera superficial de engrenagens onde são obtidas as propriedades de resistência ao desgaste e à fadiga, na superfície, com um núcleo tenaz.

A têmpera superficial pode ser realizada por dois processos: têmpera por indução e aquecimento por chama.

3.3.5.2- TÊMPERA POR INDUÇÃO.

Uma corrente elétrica alternada de alta freqüência circulando através de um condutor (Bobina) gera ao seu redor um campo magnético. Qualquer condutor elétrico (peça de aço, fofo, etc.) na presença deste campo magnético pode ser aquecido.

Uma barra de aço colocada no interior de uma bobina aquece devido a correntes superficiais induzidas (correntes de Foucault) e perdas por histerese (Ferro ate 768 °C).

A profundidade de penetração da corrente é função principalmente da freqüência, além da potência empregada, espaçamento bobina - peça, tempo de aquecimento e da própria bobina (forma, nº de voltas).

A corrente induzida numa peça é máxima na superfície e diminui rapidamente no seu interior.

3.3.5.3- AQUECIMENTO POR CHAMA

Neste caso, o aquecimento resulta da queima, por meio de um maçarico, de uma mistura de oxigênio e gás combustível, usualmente acetileno, gás natural ou propano. O aquecimento por chama consiste em aquecer superficialmente uma peça ou parte dela, até a temperatura de têmpera. Em seguida o resfriamento é feito com água, óleo ou mesmo ar, dependendo da temperabilidade do aço.

As razões da utilização da têmpera por chama são:- Peças muito grandes onde o aquecimento num forno convencional e têmpera se

tornam impraticáveis ou antieconômicas.- Tratamento térmico em pequenas regiões ou quando o tratamento na peça toda é

prejudicial à sua função.- Maior precisão dimensional que num forno de tratamento convencional.- Utilização de materiais mais baratos e obtenção de propriedades adequadas em certos

casos com processo mais barato.

3.3.6- REVENIMENTO DOS AÇOS.

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3.3.6.1- NOÇÕES PRELIMINARES

O tratamento térmico de revenimento é um processo de reaquecimento do aço temperado com o propósito de transformar a estrutura martensítica em estruturas mais estabilizadas e tenazes. Um aço com estrutura martensítica é muito frágil, além de estar sujeito ao aparecimento de trincas se deixado à temperatura ambiente nesta condição. O aquecimento do aço temperado em temperaturas inferiores a A1 (727°C) permitirá a ocorrência de difusão que produzirá uma estrutura mais estável e mais tenaz.

Usualmente fazemos o aquecimento do aço temperado entre 150 e 650 graus. O aço temperado é muito frágil (tenacidade = 0). O revenimento aumenta a tenacidade

com uma pequena diminuição da dureza.

3.3.6.2- TRANSFORMAÇÕES DE FASE DURANTE O REVENIMENTO.

Costuma-se dividir as transformações que ocorrem durante o revenimento de um aço em quatro etapas:1ª etapa 150- 230°Cè os carbonetos começam a precipitar

Estrutura: martensita revenida (escura, preta)Dureza: 65 RC è60-63 RC

2ª etapa 230-400°Cè os carbonetos continuam a precipitar em forma globular (invisível ao microscópio)

Estrutura: TROOSTITA Dureza: 62 RC è50 RC

3ª etapa 400- 500°Cè os carbonetos crescem em glóbulos, visíveis ao microscópioEstrutura: SORBITA Dureza: 20-45 RC

4ª etapa 650-738°Cè os carbonetos formam partículas globularesEstrutura: ESFEROIDITA Dureza: <20 RC

Fragilidade de revenido: Ocorre em determinados tipos de aços quando aquecidos na faixa de temperatura entre 375-475 °C ou quando resfriados lentamente nesta faixa. A fragilidade ocorre mais rapidamente na faixa de 470-475 °C e só é revelada no ensaio de resistência ao choque, pois não causa alteração na microestrutura. Conseguimos minimizar a fragilidade de revenido mantendo os teores de fósforo abaixo de 0,005% e de enxofre menor do que 0,01% e reaquecendo o aço fragilizado a uma temperatura de aproximadamente 600 °C, seguido de resfriamento rápido até abaixo de 300 °C.

3.3.6.3- EFEITO DO REVENIMENTO SOBRE AS PROPRIEDADES DOS AÇOS.

Uma gradual diminuição da dureza acompanha as modificações que sofre a microestrutura do aço temperado ao ser revenido a temperaturas crescentes. Essa diminuição de dureza é acompanhada por um aumento de plasticidade e da tenacidade do aço (esta pode ser alterada com a temperatura devido ao fenômeno de fragilidade do revenimento).

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3.3.7- TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

3.3.7.1- NOÇÕES PRELIMINARES

Os tratamentos termoquímicos consistem na introdução de um ou mais elementos químicos na superfície dos aços a uma dada temperatura (500 a 1000°C) para conferir uma camada superficial fina e dura. O objetivo principal é aumentar a dureza e a resistência ao desgaste na superfície mantendo o núcleo tenaz.

Os processos termoquímicos são classificados em: cementação, carbonitretação, cianetação, nitretação, boretação.

Após as peças serem tratadas termoquimicamente, temos a camada endurecida com um alto teor de carbono e/ou nitrogênio, elementos absorvidos durante o tratamento, e o núcleo que fica com a mesma composição química inicial do material.

Aquecimento da peça e do meio químico pode durar de 1 a 100 horas.

3.3.7.2- CEMENTAÇÃO.

Cementação é o tratamento termoquímico que consiste na introdução de carbono na superfície dos aços de baixo teor de carbono, geralmente até 0,25 % C, com ou sem elementos de liga.

Este processo é seguido geralmente por têmpera, que tem seu sucesso proporcional ao teor de carbono do local temperado, obtendo-se na camada o constituinte martensita, proporcionando alta dureza superficial e deixando o núcleo tenaz devido ao seu baixo teor de carbono.

A cementação se realiza em meio sólido, líquido ou gasoso em temperaturas de austenização entre 825°C e 950°C. A figura abaixo pode ser utilizada para operadores de tratamento térmico como valores estimativos de profundidade, tempo e temperatura de cementação em meios sólidos, líquido ou gasoso.

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3.3.7.3- NITRETAÇÃO.

Nitretação é um tratamento de endurecimento superficial que consiste na introdução de nitrogênio atômico na superfície do aço.O tratamento é realizado em temperaturas compreendidas entre 500 e 570 °C, onde o nitrogênio atômico se difunde na fase ferrita.

As principais propriedades dos aços nitretados são: alta dureza superficial (86 a 70 HRC) e resistência ao desgaste, alta resistência à fadiga, alta estabilidade dimensional e resistência à corrosão melhorada.

A profundidade da camada nitretada depende do tempo e da temperatura de tratamento, da atividade do nitrogênio e da composição do aço.

Três são os métodos de nitretação: gasoso, líquido (banho de sal) e pó.

3.3.8- ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO

3.3.8.1- SOLUBILIZAÇÃO SEGUIDA DE ENVELHECIMENTO

Este tratamento envolve o aquecimento à tempera adequada, durante um tempo suficiente para a dissolução de um ou mais constituintes, seguido de resfriamento bastante

rápido para mantê-los em solução, ou seja, consiste na precipitação de outra fase, na forma de

partículas extremamente pequenas e uniformemente distribuídas, que enrijece a liga.Após o envelhecimento o material terá adquirido máxima dureza e resistência.O envelhecimento pode ser natural, quando a precipitação ocorre à temperatura

ambiente, ou artificial quando a precipitação ocorre acima da temperatura ambiente por reaquecimento.

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3.4- CONSTITUINTES PROVENIENTES DO RESFRIAMENTO DESCONTÍNUO

3.4.1- CONSTITUINTES DOS AÇOS TEMPERADOS

Quando resfriamos um aço lentamente, ocorrem três transformações estruturais importantes:

1ª na zona critica, ocorre a separação da ferrita ou da cementita.2ª todo ferro (presente na austenita em solução com o carbono) se transforma em ferro

α, o carbono da austenita se precipita em forma de cementita e o teor de carbono da austenita favorece a nucleação da ferrita.

3ª pelo mesmo mecanismo, o crescimento da ferrita produz uma elevação no teor de carbono na austenita, favorecendo a nucleação da cementita.

Esse processo de nucleações e crescimentos alternados dá origem à perlita.Quando o resfriamento é muito rápido, as transformações citadas não se dão porque:1ª a migração dos elétrons exige tempo para se efetuar;2ª essa migração é extremamente lenta abaixo de certas temperaturas.O resfriamento brusco transforma a austenita numa solução sólida supersaturada de

carbono em ferro α, a martensita. No microscópio, a martensita se apresenta como finas estrias retas entrecortando-se em três direções, como triângulos. Estas três direções são vestígios dos traços dos planos cristalográficos da austenita, que sofrera escorregamento na reação martensitica.

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MARTENSITA

No sistema cristalino do ferro (CFC), os átomos de carbono se acomodam perfeitamente e não estorvam os deslizamentos cristalinos quando o aço é deformado. Por isso, a austenita é relativamente dúctil. Mas na martensita (TCC) o ferro está numa forma modificada pelo excesso de carbono, cuja presença estorva as deformações plásticas a tal ponto que elas se tornam impossíveis, daí a grande dureza da martensita e o motivo dos materiais temperados serem revenidos para melhorar sua fragilidade.

Quando o resfriamento é menos brusco já é possível um começo de transformação da austenita a temperaturas superiores.

Essa transformação é a transformação de ferro α e do carboneto sob uma textura lamelar ultrafina, a troosita. As áreas que não se transformaram em troosita vão se transformar em martensita a temperaturas mais baixas.

A dureza do aço cai rapidamente à medida que a porcentagem de martensita diminui e a de troosita aumenta.

MARTENSITA E TROOSITA

Se diminuirmos ainda mais a velocidade de resfriamento nos aços de até 0,6% de C notaremos os primeiros indícios da formação de uma rede de ferrita. Quanto mais próximo do

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resfriamento lento estivermos, mais ferrita teremos. Nestes casos encontramos grãos de martensita ou de martensita e troosita contornados por redes de ferrita. Quando isso ocorre, a troosita se localiza quase sempre entre a ferrita e a martensita.

As bainitas são produtos de transformação isotérmica, que ocorre abaixo do cotovelo da curva TTT. Somente em certos aços e ferros fundidos com elementos de liga é que se pode obter bainita com resfriamento continuo.

As bainitas têm dureza e resistência equivalente à dos aços temperados e revenidos na temperatura de formação da bainita, mas tem ductilidade muito superior a dos produtos obtidos por têmpera e revenido. Essa estrutura também proporciona maior elasticidade no material.

A austêmpera, processo utilizado para obtermos uma estrutura bainitica, tem limitações de ordem técnica e econômica. Só deve ser utilizada em aços carbono com até 0,4% de C ou de baixa liga e de pequena espessura (até 10 mm).

3.4.2- CONSTITUINTES DOS AÇOS TEMPERADOS E REVENIDOS

O revenido até atingir 600ºC não atua na microestrutura do aço. Depois disso ele aumenta a mobilidade dos átomos de tal forma que o aço, antes martensitico, passa a se apresentar com uma estrutura característica chamada sorbita, constituída de pequeninas partículas de cementita, geralmente tendendo para uma forma esferoidal, sobre um fundo de ferrita.

SORBITA

Texturas sorbiticas: ocorrem a temperaturas mais baixas (450ºC) e tem o aspecto da martensita.

3.4.2.1- MARTENSITA REVENIDA ( TEXTURAS SORBITICAS)

No estado temperado, a martensita, além de ser muito dura, é tão frágil que não pode ser empregada para a maioria das especificações. A ductilidade e a tenacidade da martensita podem ser aprimoradas e as tensões internas podem ser aliviadas pelo tratamento térmico de revenido.

Normalmente o revenido é conduzido a temperaturas entre 250 e 650ºC. As tensões internas, no entanto, podem ser aliviadas a uma temperatura bem menor (200ºC). Esse tratamento térmico de revenido permite, através do processo de difusão, a formação da martensita revenida, de acordo com a reação:

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Martensita (TCC, monofásica) Martensita revenida (fases α + Fe3C)

Na reação, a martensita monofásica, que é supersaturada de carbono, se transforma em martensita revenida, composta pelas fases estáveis de ferrita e cementita.

A microestrutura da martensita revenida consiste em partículas de cementita extremamente pequenas e uniformemente dispersas em uma matriz de ferrita. Esta estrutura é semelhante à da cementita globulizada, exceto pelo fato de que as partículas de cementita são muito menores.

A martensita revenida pode ser quase tão dura e resistente quanto a martensita, porém tem uma ductilidade e uma tenacidade substancialmente melhoradas.

4- PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela realização de experimentos de laboratório cuidadosamente projetados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço, os ensaios mecânicos. Esses ensaios mecânicos são padronizados.

4.1- CONSIDERAÇÕES GERAIS

Deformação elástica: é uma deformação não permanente, ou seja, é uma deformação totalmente recuperada quando a tensão aplicada é liberada.

Deformação plástica: é uma deformação permanente, ou seja, que não pode ser recuperada quando a tensão aplicada é liberada. Vem acompanhada de deslocamentos atômicos permanentes.

Limite de escoamento: tensão máxima que o material agüenta antes de se deformar plasticamente. Também chamado de limite de proporcionalidade.

Ductilidade: uma medida da habilidade de um material em ser submetido a uma deformação plástica apreciável antes de fraturar; pode ser expressa em porcentagem de alongamento (%AL) ou em redução percentual da área (%RA).

Dureza: é a medida da resistência de um material à deformação de sua superfície por indentação ou abrasão.

Fragilidade: é o oposto de ductilidade.Tenacidade: é a capacidade do material de absorver energia quando submetido a carga

de impacto até sua fratura.Resiliência: é a capacidade de um material de absorver energia quando ele é deformado

plasticamente Limite de resistência a tração: a tensão máxima que pode ser suportada por um material

sob tração. Se essa tensão for ultrapassada, o material se rompe.

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4.2- PRINCIPAIS ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS

4.2.1- ENSAIO DE TRAÇÃO

A aplicação de uma força num corpo sólido promove uma deformação do material na direção do esforço e o ensaio de tração consiste em submeter um material a um esforço que tende a alongá-lo ou esticá-lo.

Diagrama tensão-deformação: mostra as tensões que ocorrem durante a aplicação da carga no material.

O ensaio de tração normalmente é realizado na máquina universal de ensaios, que tem

esse nome porque realiza diversos ensaios. Algumas dessas máquinas possuem um registrador gráfico que vai traçando o diagrama tensão-deformação à medida que o ensaio é realizado.

Fixamos o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa posição que permita que o equipamento aplique uma força axial para fora, de modo a aumentar o seu comprimento.

O ensaio é realizado em corpos de prova padronizados por normas técnicas como representado na figura abaixo. Os corpos de prova devem ser padronizados para que os resultados obtidos no ensaio possam ser comparados e, se necessário, reproduzidos.

A parte indicada por Lo na figura é onde são feitas as medidas para determinar as

propriedades mecânicas do material. E a cabeça do corpo de prova é a parte que fixamos na máquina de ensaio.

Depois de realizado o ensaio, fazemos a análise dos resultados.

Limite de resistência a tração

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Onde é a tensão máxima suportada pelo material, Q é a carga máxima que ele

suportou antes de se romper e So é a área inicial da sessão transversal do corpo de prova.

Limite de escoamento

Onde é a tensão de escoamento do material, Q é a carga na qual o material escoou e

So é a área inicial da sessão transversal do corpo de prova.

Alongamento (A)

Onde Lo é o comprimento inicial do corpo de prova e L é o comprimento final, o alongamento é dado em porcentagem.

Redução de área ou estricção(Z)

Onde So é a área inicial da sessão transversal do corpo de prova e S é a sessão final. Assim como o alongamento, a redução de área também é dada em porcentagem.

Obs.: a resistência a tração e o limite de escoamento são diretamente proporcionais entre si e inversamente proporcionais ao alongamento e à redução de área, que também são diretamente proporcionais entre si.

4.2.2- ENSAIOS DE DUREZA

4.2.2.1- ENSAIO DE DUREZA BRINNEL

O ensaio de dureza Brinnel consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, limpa e polida de um material, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.

A dureza Brinnel (HB) é a relação entre a carga aplicada (F) e a área da calota esférica impressa no material ensaiado (Ac).

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Matematicamente falando: HB =

A área da calota esférica é dada pela formula: Dp, onde p é a profundidade da calota.

Devido à dificuldade de medir a profundidade da calota esférica, utilizamos uma relação matemática entre o diâmetro e a profundidade da calota para obter a formula que permite o cálculo da HB:

Quando é aplicada a carga na superficie do metal ele é deformado plasticamente. Ao ser retirada a carga, há sempre uma recuperação elástica, de modo que o diâmetro da impressão não é o mesmo quando a esfera está em contato com o metal, havendo um aumento no raio de curvatura da impressão. Quanto mais duro for o material, maior será essa recuperação, pois os materiais duros têm a zona plástica reduzida, sofrendo pouca deformação plàstica. Essa recuperação elástica do material é uma fonte de erros na determinação da dureza.

A dureza Brinnel não serve para peças que sofreram tratamentos superficiais para o aumento da dureza (cementação, nitretação, etc.).

A dureza Brinnel tem uma relação de proporcionalidade com o limite de resistência a tração convencional. Essa relação é dada pela equação:

Para aços carbono e aços liga tratados termicamente esse valor cai para 0,34 e 0,33 respectivamente. Para durezas maiores que 380 HB essa relação não é válida ,pois nessa faixa a dureza tende a aumentar mais rapidamente que o limite de resistência.

Obs.: a resistência a tração tem que estar em kgf/mm².

Quando a resistência a tração está em Mpa temos:

Quando a resistência a tração esta em psi, temos:

4.2.2.2- ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL

O ensaio de dureza Rockwell é atualmente o método mais utilizado mundialmente, devido à rapidez e à facilidade de execução, isenção de erros humanos, facilidade de detectar pequenas diferenças de durezas e pequeno tamanho da impressão.

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Este método apresenta algumas vantagens em relação ao ensaio Brinnel, pois permite avaliar a dureza de metais diversos, dos mais moles aos mais duros.

Neste ensaio a carga é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pré-carga, para garantir o contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e depois se aplica a carga do ensaio propriamente dita.

A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada de acordo com a faixa de dureza do material.

A escala vermelha é utilizada quando usamos o penetrador esférico (de aço temperado) e a escala preta quando utilizamos o penetrador cônico (cone de diamante com 120º de conicidade).

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A figura acima mostra as etapas do ensaio de dureza Rockwell.O valor indicado na escala do mostrador é o valor da dureza Rockwell. Este valor

corresponde à profundidade alcançada pelo penerador, subtraídas a recuperação elástica do material e a profundidade decorrente da aplicação da pré-carga.

Obs.: a escala do mostrador é construida de forma que uma impressão profunda corresponde a um valor baixo na escala e uma impressão rasa corresponde a um valor alto na escala. Assim, um valor alto na escala indica que se trata de um material de alta dureza.

O ensaio Rockwell é realizado em dois tipos de máquina, ambas com a mesma técnica de operação, que diferem apenas pela precisão de seus componentes.

A máquina de dureza Rockwell normal é usada para avaliação de dureza em geral. Já a maquina de dureza Rockwell superficial é indicada para a avaliação de dureza em folhas finas ou lâminas, ou camadas superficiais de materiais.

A diferença entre elas é que, no caso da primeir, cada divisão da escala do mostrador equivale a 0,02 mm e, na segunda, cada divisão equivale a 0,01 mm.

Conversão de Dureza

É muito desejável poder converter a dureza medida em uma escala para outra. Contudo, uma vez que a dureza não é uma propriedade bem definida dos materiais, e devido às diferenças experimentais que existem entre as várias técnicas, não foi desenvolvido um sistema de conversão abrangente. Os dados de conversão da dureza foram determinados experimentalente , tendo sido observado que eles dependem do tipo e das caracteristicas do material. Os dados de conversão mais confiáveis que existem são para os aços. Tabelas de conversão detalhadas para vários outros metais e ligas estão incluídas na Norma ASTM E 140.

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4.2.3- ENSAIO DE IMPACTO

O ensaio de impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma força brusca e repentina que deve rompê-lo.

As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis. As fraturas frágeis caracterizam-se pelo aspecto cristalino e as fraturas dúcteis apresentam aparência fibrosa.

Os materiais frágeis rompem-se sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca. Por isso, esses materiais não podem ser utilizados em aplicações nas quais sejam comuns esforços bruscos, como em eixos de máquinas, bielas etc.

Para estas aplicações são desejáveis materiais que tenham capacidade de absorver energia e dissipá-la para que a ruptura não aconteça, ou seja, materiais que apresentem tenacidade.

Porém, mesmo utilizando ligas dúcteis, com resistência suficiente para suportar uma determinada aplicação, verificou-se na prática que um material dúctil pode romper-se de forma frágil. A existência de trincas no material, a baixa temperatura e a alta velocidade de carregamento constituem os fatores básicos para que ocorra uma fratura do tipo frágil nos materiais metálicos dúcteis.

Um dos ensaios que permitem estudar os efeitos das cargas dinâmicas é o ensaio de impacto. Este ensaio é usado para medir a tendência de um metal de se comportar de maneira frágil.

O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga é aplicada repentina e bruscamente.

No impacto, não é só a força aplicada que conta. Outro fator é a velocidade de aplicação da força. Força associada com velocidade traduz-se em energia.

O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra do material, quando submetida à ação de um esforço de choque de valor conhecido.

O método mais comum para ensaiar metais é o do golpe, desferido por um peso em oscilação.

A máquina correspondente é o martelo pendular. O pêndulo é levado a uma certa posição, onde adquire uma energia inicial. Ao cair, ele encontra no seu percurso o corpo de prova, que se rompe.

A sua trajetória continua até certa altura, que corresponde à posição final, onde o pêndulo apresenta uma energia final.

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A diferença entre as energias inicial e final corresponde à energia absorvida pelo material.

A máquina é dotada de uma escala, que indica a posição do pêndulo, e é calibrada de modo a indicar a energia potencial (U = m x g x h).

No ensaio de impacto, a massa do martelo e a aceleração da gravidade são conhecidas. A altura inicial também é conhecida. A única variável desconhecida é a altura final, que é obtida pelo ensaio.

O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova, numa escala relacionada com a unidade de medida de energia adotada.

CHARPY

Os corpos de prova Charpy compreendem três subtipos (A, B e C), de acordo com a forma do entalhe.

As diferentes formas de entalhe são necessárias para assegurar que haja ruptura do

corpo de prova, mesmo nos materiais mais dúcteis.Quando a queda do martelo não provoca a ruptura do corpo de prova, o ensaio deve ser

repetido com outro tipo de corpo de prova, que apresente entalhe mais severo, de modo a garantir a ruptura. Dos três tipos apresentados, o C é o que apresenta maior área de entalhe, ou seja, o entalhe mais severo.

A energia medida é um valor relativo e serve apenas para comparar resultados obtidos nas mesmas condições de ensaio. Isso explica por que os resultados desse ensaio não têm aplicação nos cálculos de projetos de engenharia.

Mesmo tomando-se todos os cuidados para controlar a realização do ensaio, os resultados obtidos com vários corpos de prova de um mesmo metal são bastante diversos. Para chegar a conclusões confiáveis a respeito do material ensaiado, é recomendável fazer o ensaio em pelo menos três corpos de prova.

Impacto a baixas temperaturas

Ao ensaiar os metais ao impacto, verificamos que há uma faixa de temperatura relativamente pequena na qual a energia absorvida pelo corpo de prova cai apreciavelmente. Esta faixa é denominada temperatura de transição.

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Temperatura de transição: é aquela em que ocorre uma mudança no caráter da ruptura do material, passando de dúctil a frágil ou vice-versa.

Como esta passagem, na maioria dos casos, não é repentina é usual definir-se uma faixa de temperatura de transição.

Faixa de temperatura de transição: é o intervalo de temperatura em que a fratura se apresenta com 70% de aspecto frágil (cristalina) e 30% de aspecto dúctil (fibrosa) e 70% de aspecto dúctil e 30% de aspecto frágil. O tamanho dessa faixa varia conforme o metal.

Os metais que têm estrutura cristalina CFC, como o cobre, alumínio, níquel, aço

inoxidável austenítico etc., não apresentam temperatura de transição, ou seja, os valores de impacto não são influenciados pela temperatura. Por isso esses materiais são indicados para trabalhos em baixíssimas temperaturas, como tanques criogênicos, por exemplo.

O ensaio de impacto pode ser realizado a qualquer temperatura, dependendo das condições de trabalho do material a ser ensaiado. O corpo de prova deve ser ensaiado no máximo 5 segundos depois de resfriado, e esse resfriamento pode ser com gelo seco e álcool, com nitrogênio líquido, entre outros.

4.3- ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS

4.3.1- LÍQUIDOS PENERANTES

O ensaio consiste em aplicar um líquido penetrante sobre a superfície a ser ensaiada. Após remover o excesso da superfície, faz-se sair da descontinuidade o líquido penetrante retido, utilizando-se para isso um revelador. Sua finalidade é detectar descontinuidades abertas na superfície das peças, como trincas, poros, dobras, que não sejam visíveis a olho nu. A imagem da descontinuidade, ou seja, o líquido penetrante contrastando com o revelador, fica então visível.

A limpeza da superfície a ser ensaiada é fundamental para a revelação precisa e confiável das descontinuidades porventura existentes na superfície de ensaio.

Para começar devemos aplicar, por meio de pincel, imersão, pistola ou spray, um líquido, geralmente de cor vermelha ou fluorescente, capaz de penetrar nas descontinuidades depois de um determinado tempo em contato com a superfície de ensaio.

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Decorrido o tempo mínimo de penetração, deve-se remover o excesso de penetrante, de modo que a superfície de ensaio fique totalmente isenta do líquido - este deve ficar retido somente nas descontinuidades. Esta etapa do ensaio pode ser feita com um pano ou papel seco ou umedecido com solvente. Em outros casos, lava-se a peça com água, secando-a posteriormente, ou aplica-se agente pós-emulsificável, fazendo-se depois a lavagem com água.

Para revelar as descontinuidades, aplica-se o revelador, que nada mais é do que um talco branco. Esse talco pode ser aplicado a seco ou misturado em algum líquido.

O revelador atua como se fosse um mata-borrão, sugando o penetrante das descontinuidades e revelando-as.

Da mesma forma que na etapa de penetração, aqui também se deve prever um tempo para a revelação, em função do tipo da peça, do tipo de defeito a ser detectado e da temperatura ambiente. Geralmente faz-se uma inspeção logo no início da secagem do revelador, e outra quando a peça está totalmente seca.

No caso dos líquidos penetrantes visíveis, a inspeção é feita sob luz branca natural ou artificial. O revelador, aplicado à superfície de ensaio, proporciona um fundo branco que contrasta com a indicação da descontinuidade, que geralmente é vermelha e brilhante.

Podemos dizer que a principal vantagem deste método é sua simplicidade, pois é fácil interpretar seus resultados. Além disso, o treinamento é simples e requer pouco tempo do operador, não há limitações quanto ao tamanho ou forma das peças a serem ensaiadas nem quanto ao tipo de material, e o ensaio pode revelar descontinuidades extremamente finas, da ordem de 0,001 mm de largura, totalmente imperceptíveis a olho nu.

Por outro lado, o ensaio só detecta descontinuidades abertas e superficiais, já que o líquido tem de penetrar na descontinuidade. Por esta razão, a descontinuidade não pode estar preenchida com qualquer material estranho. Defeitos internos da peça não são detectados com o ensaio de liquido penetrante.

Além dos ensaios aqui citados, existem muitos outros, tais como: ensaio de compressão, cisalhamento, dobramento, flexão, embutimento, torção, fluência, fadiga, partículas magnéticas, ultra-som, entre outros.

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5- FTSA

5.1- INTRODUÇÃO

Tomando como ponto de partida a peça logo depois de ser desmoldada e ter o excesso de areia removido, esta sessão abordará o caminho da peça até a expedição.

5.2- CORTE DE CANAIS

O corte de canais de alimentação massalotes pode ser feito de dois modos:

1º se a peça for de aço carbono ou aço liga ela sofre o corte de canais por meio do oxicorte (corte com o maçarico).

A chama do maçarico quando entra em contato com a peça produz a seguinte reação:

2Fe + O2 2FeO, que por meio da oxidação do ferro presente no material corta os canais.

2º quando o material é aço inox o oxicorte não é possível, pois o material tem uma grande concentração de cromo que impede essa reação. Quando a chama do maçarico entra em contato com a peça ela produz a seguinte reação:

4Cr + O2 2Cr2O, além de produzir a reação com o ferro.

O problema é que a quantidade de cromo nos aços inox é muito maior que nos aços comuns e, mesmo que o ferro presente neles reaja, o Cr2O, que é um material refratário, proveniente da reação do cromo impede que o corte aconteça.

O corte de canais de aços inox, então, tem que ser feito por outro processo chamado goivagem (corte com eletrodo de carvão).

Obs.: aços inox martensiticos (que são extremamente frágeis) e peças de grande espessura devem passar pelos tratamentos térmicos de normalização e revenimento antes do corte de canais para evitar trincas e empenamentos.

5.3- GOIVAGEM

O corte com o maçarico é um corte bruto de canais, e deixa excesso de material na peça.A goivagem é feita então para eliminar as rebarbas deixadas pelo maçarico e facilitar o acabamento da peça.

5.4- REBARBA

A goivagem, mesmo sendo muito útil para tirar as grandes rebarbas deixadas pelo maçarico, deixa pequenas rebarbas que são removidas da peça com o auxílio de uma lixadeira, também com o objetivo de facilitar o acabamento final e melhorar a peça para a inspeção.

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5.5- JATO DE GRANALHA

Tem o objetivo de remover impurezas superficiais, tais como: areias, materiais sintetizados e qualquer outro material, para facilitar a inspeção visual. Para a inspeção, a peça tem que estar com a superfície o mais limpa possível para a sujeira não “mascarar” possíveis defeitos.

5.6- ACABAMENTO

Depois de passar pelo jat, a peça está livre de impurezas, o que torna visíveis alguns pequenos excessos de matéria, que antes estavam encobertos por essas impurezas. Este acabamento tem como finalidade deixar a peça ainda mais limpa e livre de todo o excesso de material que não foi percebido durante as etapas anteriores.

5.7- INSPEÇÃO PRELIMINAR

É feita antes do tratamento térmico. Consiste em uma inspeção visual para detectar possíveis defeitos como trincas, descontinuidades, porosidade, entre outros.

Caso algum defeito seja encontrado a peça vai pra a recuperação e, depois de ser novamente inspecionada, se estiver dentro das conformidades, vai para o tratamento térmico. Caso a peça não esteja dentro das conformidades, ela é sucatada.

5.8- TRATAMENTO TÉRMICO

5.8.1- AÇOS CARBONO (ASTM-27 e ASTM-216)

São normalizados para melhorar as propriedades do material. A normalização ocorre numa taxa de aquecimento de cerca de 200ºC por hora.

A temperatura de normalização é entre 860 e 940ºC e o tempo de patamar (encharque) é de uma hora por polegada (1h/in) levando em consideração a parte mais espessa da peça. O resfriamento é feito ao ar.

Caso haja necessidade de se fazer um recozimento para alívio de tensões, ele ocorre numa temperatura entre 800 e 860ºC, com o tempo de patamar de uma hora por polegada e resfriamento dentro do forno.

Se a peça for de grande espessura e precisar ser tratada antes do corte de canais, além de normalizada ela é revenida antes do procedimento. O revenimento ocorre numa temperatura entre 650 e 750ºC, com o tempo de patamar de uma hora e meia por polegada e resfriamento ao ar até a temperatura ambiente.

Obs.: caso a peça tenha sido normalizada antes de ser revenida (como no caso do tratamento térmico para corte de canais) o tempo de patamar para o revenimento passa a ser de uma hora por polegada. Esta condição só é valida se a peça, após a normalização, ainda estiver com uma temperatura superior a 200ºC.

5.8.2- AÇO INOX MARTENSITICO (ASTM-217)

São normalizados e revenidos. Tanto a normalização quanto o revenimento ocorrem a uma taxa de aquecimento de cerca de 200ºC por hora

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A normalização é feita a uma temperatura de 950 a 1000ºC, com o tempo de patamar de uma hora por polegada e resfriamento ao ar.

Já o revenimento é feito a uma temperatura de 650 a 750ºC, com tempo de patamar de uma hora e meia por polegada.

Obs.: assim como no caso dos aços carbono, caso a peça tenha sido normalizada antes de ser revenida o tempo de patamar para o revenimento passa a ser de uma hora por polegada. Esta condição só é valida se a peça, após a normalização, ainda estiver com uma temperatura superior a 200ºC.

Caso ocorra um recozimento para alívio de tensões, o mesmo deve proceder numa temperatura entre 930 e 970ºC, com o tempo de patamar de uma hora por polegada e resfriamento lento dentro do forno.

5.8.3- AÇO INOX AUSTENÍTICO (ASTM-351)

Sofre o tratamento térmico de solubilização, que ocorre a uma temperatura entre 1050 e 1100ºC, com o tempo de patamar de 50 minutos por polegada e resfriamento em água.

5.8.4- AÇO CARBONO FERRITICO MARTENSITICO (ASTM-352, AÇOS PARA TRABALHAR EM BAIXAS TEMPERATURAS.)

Passam pelos tratamentos de normalização, têmpera e revenido.A normalização ocorre a temperaturas entre 880 e 930ºC, com tempo de patamar de

uma hora por polegada e resfriamento ao ar.A têmpera ocorre a temperaturas entre 880 e 930ºC, com tempo de patamar de uma hora

por polegada e resfriamento em água.O revenimento ocorre em temperaturas entre 640 e 700ºC, com tempo de uma hora e

meia por polegada e resfriamento ao ar.

5.9- JATO DE GRANALHA

Após passar pelo tratamento térmico a peça é jatiada novamente para eliminar possíveis impurezas aderidas a sua superfície durante o processo.

5.10- INSPEÇÃO FINAL

Após passar por todas as fases do processo e acabamento e tratamento térmico a peça sofre uma inspeção final. Inspeção essa visual, com o auxílio de ensaios não destrutivos como os de liquido penetrante, ultra-som e partículas magnéticas.

Caso a peça seja aprovada, ela segue para a expedição, e caso seja reprovada ela segue para a recuperação.

5.11- RECUPERAÇÃO

As peças reprovadas tanto na inspeção final quanto na preliminar seguem para a recuperação.

Após a recuperação a peça é inspecionada novamente. Caso esteja dentro das conformidades ela segue para expedição e, caso não esteja, ela é sucatada.

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No caso da recuperação das peças reprovadas na inspeção final, se elas tiverem mais de 20% da espessura ou 65cm² da área trabalhada, antes da expedição elas devem passar por um recozimento para alivio de tensões. As peças reprovadas na inspeção preliminar não precisam ser tratadas porque, caso sejam consideradas conformes, ainda vão passar pelo tratamento térmico.

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BIBLIOGRAFIA

CALLISTER Jr., William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. Tradução Sérgio Murilo Stamile Soares. Rio de Janeiro : LTC, 2008.

COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns, 3. ed. São Paulo: Edgard Blucher, 1974

SOUZA, Sergio Augusto de, Ensaios mecânicos de materiais metálicos.São Paulo: Edgard Blucher, 1974

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