Materiais Metálicos

Encruamento: é o método usado para aumentar a resistência mecânica de um material

(capacidade de resistir a deformações plásticas) através da deformação de grãos,

mudando as propriedades do material.

Quanto maior a dureza do material, maior a sua resistência. Ao endurecer um

material, diminui-se a ductilidade e dificulta-se a deformação plástica em virtude de se

dificultar a movimentação das discordâncias do material.

Ao se encruar um material, mudando a forma do seu grão, aumenta a

quantidade de discordâncias, fazendo com que o material tenha “mais dificuldade”

para se deformar, aumentando assim, sua resistência mecânica

Ao se aumentar a resistência de um material, para uma mesma força atuante,

pode-se diminuir a área resistente ao esforço, gerando economia de material e

conseqüentemente, redução de custos.

Coeficiente de Tenacidade:

UTCoeficiente de Tenacidade LRLimite de Resistência

LELimite de Escoamento Alongamento Total

Grão: São estruturas cristalinas (CCC, CFC, etc.) consideradas equiaxiais (mesmo

tamanho em todas as direções em relação a um eixo no centro do grão). Seu tamanho

é medido pelo diâmetro médio em μm. Ao observar um material metálico no

microscópio, quando a luz incide no grão, a imagem fica branca e quando incide no

contorno de grão, torna-se preta (ver slide 2 da aula 2).

Formas para dificultar o Movimento das Discordâncias:

1. Encruamento: Aumenta a densidade de discordâncias devido à conformação

plástica (trabalho a frio).

O material busca um estado de menor energia. O contorno de grão é uma região

energética do cristal (por conta de possuir átomos que não foram satisfeitos em

relação à quantidade de ligações necessárias para atingir um estado de estabilidade),

graças a isso, um material com mais contornos de grão é um material com mais

energia, portanto, menos estável. Para que fique estável, é desejável que ele se

encontre no menor grau de energia possível, portanto, com o menor numero de

contornos de grãos possível.

2. Redução do Tamanho de Grão: Aumenta a resistência mecânica do material e

mantém sua tenacidade. Processo controlado que faz com que os materiais

possuam maior número de grãos por unidade de volume e maior área de

contornos de grãos por unidade de volume.

Quanto maior o tamanho do grão, menor é a quantidade de contorno de grãos

e, conseqüentemente, menor estado de energia, portanto, mais estável

Quanto menor o tamanho de grão, maior é a quantidade de contorno de grãos,

mais resistente é o material devido à dificuldade de movimentação das discordâncias.

Para diminuir o tamanho de grãos deve-se aumentar a velocidade de

solidificação ou usar o método de recristalização (onde depois de se deformar muito o

material, este é aquecido para que ocorra a “reconstituição” dos grãos.

Antigamente, para se determinar o tamanho de grãos, usava-se a formula da

ASTM:

, onde:

NNúmero de grãos por polegada quadrada (imagem ampliada 100x)

GTamanho de Grão ASTM

Por ser muito complicado e não tão preciso, hoje existe uma régua, graduada

em μm que é colocada sob o microscópio junto com o material em análise.

3. Solução Sólida: Inserção de átomos de soluto (substitucional ou intersticial) na

estrutura cristalina, a interação entre os campos de tensões e as discordâncias,

levam a redução da energia total do sistema (o átomo que provoca uma tensão

de compressão tende a ficar onde há uma tensão de tração ocasionada pela

discordância). Como a movimentação de discordâncias leva ao aumento da

energia, a presença de solutos dificulta o movimento delas. Quanto maior a

concentração de soluto e quanto maior é a deformação introduzida por esse

soluto, maior é seu efeito “endurecedor”.

Se o átomo substitucional for maior que o átomo “original” (da matriz) da

estrutura, ele gera tensões de compressão, ao passo que se ele for menor, gera

tensões de tração. Os átomos que foram “enxertados” ficam sempre próximos das

discordâncias.

Após este processo, a estrutura não é afetada por tratamentos térmicos como

ocorre no encruamento (não há a possibilidade de recristalizar o material para que

ele volte a ter suas propriedades iniciais).

De uma forma geral, quando maior a quantidade de soluto, maior a resistência

e menor a ductilidade. Há exceções como o latão 7030 (70% de cobre e 30% de

zinco), que com o aumento da resistência, aumenta também sua ductilidade.

Solutos diferentes causam endurecimentos diferentes.

Quando um material está na fase α, ao se resfriar rapidamente, impede-se a

criação (precipitação) da fase β (por impossibilitar a difusão), fazendo com que haja

mais soluto do que deveria ter na fase de temperatura ambiente da mistura, portanto,

o material se torna mais resistente (quando comparado se tivesse a fase β na

temperatura ambiente).

Tempera: resfriamento rápido de uma substância do estado α (quando já estiver

estabilizado), sem que se “corte” as partes cinzas do diagrama TTP (Tempo-

Temperatura-Precipitação) para que não ocorra a formação de fase β.

4. Partículas Finamente Dispersas: Introdução de pequenas partículas de

precipitação de fase β (não confundir com grãos) para impossibilitar o

movimento de discordâncias. Quanto menor a distância entre essas partículas,

maior é a resistência do material devido à maior dificuldade da discordância se

movimentar. Devido a esse fato, é preferível ter várias partículas pequenas (e

com a menor distância possível entre elas) a ter apenas uma partícula grande.

Para se diminuir essa distância, pode-se aumentar a quantidade de partículas

presentes e/ou reduzir o tamanho delas.

É necessário que o material já tenha passado pelo processo de solução sólida e

tempera (se encontrando num estado de solução sólida supersaturada) para que seja

possível a precipitação de partículas finamente dispersas a serem usadas como

mecanismo de endurecimento.

Pelo diagrama TTP, nota-se que quanto maior a temperatura, menor o tempo de

tempera necessário, mas as partículas se tornam maiores (ocasionando uma maior

distância entre elas).

Envelhecimento (Aging): Surgimento de partículas precipitadas por tempo suficiente à

temperatura escolhida pelo diagrama TTP (surgem entre as linhas demarcadas no

diagrama). O tempo de resfriamento após o envelhecimento não é, geralmente, de

grande importância, pois não costuma alterar as propriedades mecânicas obtidas no

processo.

Para saber, após o processo de envelhecimento, a quantidade de partículas de

fase θ, basta fazer a regra das alavancas (gangorra) no diagrama eutético na

temperatura em questão.

Temperaturas elevadas de envelhecimento resultam em menor tempo para

que haja a precipitação (por conta de facilitar a difusão), contudo essa precipitação

ocorre em poucos pontos (A facilidade de difusão faz com que os átomos migrem com

maior facilidade) e são “grosseiras”, maiores.

Temperaturas mais baixas de envelhecimento (e, consequentemente, maior

tempo) geram precipitados menores (difusão dificultada, movimento de átomos

restrito) e em maior quantidade, resultando numa menor distância entre eles.

A máxima resistência é quando a matriz se torna saturada, ou seja, quando se

completa a precipitação.

Superenvelhecimento: Exposição prolongada à temperatura de envelhecimento após

total precipitação, ocasiona perda da resistência e da dureza conseguidas no processo

devido ao coalescimento (crescimento de uma partícula e desaparecimento

concomitante de outra) das partículas precipitadas.

Comportamento do Ferro: O ferro tem a capacidade de mudar sua microestrutura à

medida que a temperatura aumenta. À temperatura ambiente (fase α), o ferro possui

estrutura CCC e é chamado de Ferrita. Ao atingir a temperatura próxima de 912°C, sua

estrutura passa a ser CFC (fase γ) e é chamada de Austenita. Ao continuar o

aquecimento, o ferro volta a ser CCC (fase δ) a temperatura de 1394°C. Essas

transformações ocorrem antes do ponto de fusão do material que gira em torno de

1538°C. Ao se aumentar a pressão, na temperatura ambiente, a ferrita (fase α, CCC)

passa para a fase ε, com estrutura hexagonal compacta.

As reações que ocorrem em um alto-forno são basicamente para a retirada do

oxigênio do minério de ferro (Ematita Fe2O3; Magnetita Fe3O4; Wustita FeO)

adicionando monóxido de carbono (CO) ou apenas carbono (C).

O carbono é um átomo intersticial na estrutura do ferro. E como a estrutura do

ferro muda com a temperatura, a solubilidade do carbono no ferro também muda. Na

Ferrita, o raio do interstício é bem menor e irregular (causando maior distorção) do

que na Austenita, que possui um raio intersticial maior e regular (causando menor

distorção). Por conta disso, é muito mais fácil solubilizar carbono na Austenita do que

na Ferrita.

Na Ferrita, mesmo que a concentração de carbono seja extremamente

pequena, ela influencia significativamente nas suas propriedades mecânicas.

Cementita (Fe3C): Tipo de carboneto que é formado quando se atinge a concentração

de 6,7%C. A Cementita é um material extremamente duro e frágil. Quanto mais

carbono se adiciona à liga, menor a quantidade da outra fase (Austenita ou Ferrita) e

maior a quantidade de Cementita, pois só há a solubilização de 2,4% C no ferro,

tornando o aço mais duro e mais frágil.

Reação Eutética: Formação de dois sólidos através de um líquido:

Líquido0,76% C↔Austenita2,14% C + Cementita6,7% C

Reação Eutetóide: Similar a reação eutética. Formação de dois sólidos através de outro

sólido:

Austenita0,76% C ↔ Ferrita0,022% C + Cementita6,7% C

Perlita: Estrutura composta por duas fases lamelares dispostas de modo alternado de

ferrita e cementita (após a transformação da austenita). Se o material for resfriado

rapidamente, a lamela da perlita fica mais fina, fazendo o material ficar mais

resistente. Mecanismo de endurecimento: Partículas (de Fe3C) finalmente dispersas.

Na transformação eutetóide, a movimentação de C ocorre por difusão

principalmente no contorno de grão da austenita. Onde a porcentagem de C da

austenita cai (de 0,76% para 0,022%) forma-se ferrita. Simultaneamente, ocorre

aumento na concentração de carbono em outras áreas da austenita (de 0,76% para

6,7%), onde se forma a cementita.

Uma colônia de Perlita é mais resistente que uma ferrita, pois apresenta:

Partículas Finamente Dispersas (quanto mais dispersa e menor o tamanho da lamela,

mais duro) e presença de cementita.

Quanto mais baixa for a temperatura da transformação isotérmica de austenita

em perlita, mais fina será a estrutura por conta da difusão ser dificultada.

Aço HipoeutetóideAbaixo de 0,76%C (aço 1025: 0,25%C). A formação da Ferrita pró-

eutetóide (primária) ocorre no contorno de grãos na região de fases α+γ

Aço Eutetóide Exatamente 0,76%C (aço 1076: 0,76%C)

Aço Hipereutetóide Acima de 0,76%C (aço 1090: 0,90%C). A formação de Cementita

pró-eutetóide (primária) ocorre no contorno de grãos na região de fases γ + Fe3C

Quanto maior a porcentagem de ferrita, mais dúctil é o material, portanto um

aço hipoeutetóide é mais dúctil (e mais mole) que um aço hipereutetóide.

Esferoidita: microestrutura que vem da perlita que teve suas lamelas “engordadas e

encurtadas” por ficarem mais de 24 horas entre 650°C e700°C (propiciando a difusão).

O surgimento dessa estrutura ocorre para que haja a diminuição da área de contato

(diminuindo a energia do sistema) entre a ferrita e a cementita nas lamelas da perlita.

A esferoidita é grosseira e, portanto, menos dura e resistente, porém mais dúctil que a

perlita. Só há a necessidade de esferoidização para aumentar a ductilidade do material

para que seja possível encruá-lo posteriormente, ou para aumentar sua usinabilidade.

Portanto, é besteira esferoidizar aços de baixo carbono, por já possuírem grande

ductilidade devido à porcentagem de ferrita ser superior à porcentagem de cementita.

(a ferrita que possibilita deformação, pois a cementita quebra de modo frágil).

Lembrete:

AustenitaFase

Ferrita Fase ou Microestrutura (pró-eutetóide)

CementitaFase ou Microestrutura (pró-eutetóide)

PerlitaMicroestrutura

EsferoiditaMicroestrutura

Em diagramas do tipo TTT (Temperatura, Tempo, Transformação) avaliamos a

velocidade de transformação da austenita em perlita (configuração similar ao

diagrama TTP).

Se a temperatura aumenta, porque demora mais tempo pra formar a perlita?

Pois se tem menos lamelas por unidade de volume. As lamelas são mais grossas.

Bainita: Microestrutura de cementita muito fina dispersa numa matriz ferrítica por

conta da formação da perlita ter sido impedida por meios cinemáticos. Ao se resfriar

mais rápido, dificulta-se a difusão, a velocidade do carbono é menor. Por conta disso,

começa a ocorrer a difusão de carbono em outras direções para a formação da

cementita, deixando-a finamente dispersa e não possibilitando sua organização em

forma de lamelas alternadas de ferrita e cementita (perlita). Quanto menor a

temperatura de transformação, mais refinada será a estrutura da bainita. Mecanismo

de endurecimento: Partículas (de Fe3C) finalmente dispersas.

A estrutura da bainita é tão fina que só pode ser vista em um microscópio de

elétrons.

Martensita: Solução sólida supersaturada de carbono no ferro. Obtida através da

austenita resfriada abruptamente a ponto de impedir a difusão do carbono. Essa

transformação faz com que a estrutura do aço passe de CFC (austenita) para CCC

(abaixo do patamar eutetóide) passando por uma estrutura CFC Parcial, que “achata” e

“engorda” para se tornar CCC. Como o carbono atrapalha esse movimento, gera-se um

estado metaestável em uma solução supersaturada de carbono, com uma estrutura

TCC (Tetragonal de Corpo Centrado). Qualquer difusão que ocorrer durante o

processo, formará ferrita e cementita. Mecanismo de endurecimento: Solução sólida

supersaturada de carbono no ferro.

Pode ocorrer de nem toda austenita se transformar em martensita, ficando na

forma de austenita retida.

Quanto maior a %C na austenita, menor será a temperatura para a formação da

martensita (maior dificuldade de impedir a difusão, taxa de resfriamento deve ser

maior) e maior a chance de ter austenita retida.

Tempera: Tem por objetivo a obtenção da martensita. Como a Martensita tem uma

estrutura cristalina mais volumosa que a austenita, deve-se tomar cuidado ao

temperar uma peça para que não ocorra:

Tensões Residuais

Empenamentos

Trincas de temperas (que são sempre intergranulares)

É muito difícil fazer um tratamento isotérmico em uma peça, pois só na passagem

de um forno para outro, ocorre troca de calor. Portanto, o mais usual é realizar os

tratamentos com taxa de resfriamento constante. Para isso, há o diagrama TRC

Diagrama TRC: Transformação com taxa de resfriamento constante. Mostra as

diferentes microestruturas formadas em relação à taxa de resfriamento imposta.

Taxa de Resfriamento Crítica: Valor de taxa de resfriamento em que, para valores

maiores ou iguais a esse ocorrerá apenas a formação de martensita (impossibilita a

difusão).

Num diagrama TRC, para que haja a formação de martensita, a curva da taxa de

resfriamento não deve cortar as curvas de transformação. Para que isso ocorra é

necessário que haja uma taxa de resfriamento alta. Como isso nem sempre é possível,

algumas medidas podem ser tomadas para jogar as curvas de transformação para a

direita, fazendo com que a taxa de resfriamento do material não precise ser tão brusca

e ainda diminui-se a chance de se ter tensões residuais e trincas de temperas (em

peças maiores). Para que as curvas de transformação do diagrama TRC se desloquem

para a direita, pode-se:

Aumentar o Tamanho de Grão da Austenita: Inviável, pois esta solução favorece

o deslocamento de discordâncias, aumentando a chance de se ter trincas de

tempera. Portanto, este método nunca deve ser empregado.

Retardar a Formação de Estruturas com Difusão: Retardar a formação de

bainita, ferrita e perlita. Para tanto, adiciona-se elementos de liga

substitucionais para que a difusão seja mais lenta, dificultada.

Exemplos de elementos de liga Substitucional:

Cr e Mo (CCC) α

Ni e Mn (CFC) δ

Portanto, adicionam-se elementos de liga no aço para que a formação de

martensita seja mais fácil, em virtude da taxa de resfriamento menor por conta da

difusão mais lenta (curvas de transformação do TRC mais para a direita). Quanto mais

elemento de liga no aço, mais para a direita estará a curva, porém mais caro é o aço.

Além disso, as curvas de início e final de transformação da martensita são jogadas para

baixo, fazendo com que seja necessário que a temperatura final da tempera seja mais

baixa, podendo ser até abaixo da ambiente (tempera sub-zero).

A adição de elementos de liga também altera a posição do ponto eutetóide,

tanto temperatura quanto concentração de carbono.

Temperabilidade: Facilidade de se formar martensita.

Recozimento (pleno): obter microestrutura de baixa dureza e alta ductilidade,

contendo como microconstituintes perlita “grosseira” e uma fase pró-eutétóide.

Funciona como um “reset” para os tratamentos térmicos realizados anteriormente,

fazendo com que o material volte a ter suas propriedades iniciais.

Esferoidização ou Globulização: obter microestrutura de mínima dureza e máxima

ductilidade num dado aço, contendo como micro-constituintes cementita

esferoidizada numa matriz de grãos de ferrita. Alta usinabilidade.

Normalização: tratamento sempre realizado com resfriamento ao ar calmo

(temperatura ambiente e ar estagnado), e que, portanto, pode gerar estruturas

diferentes, dependendo da temperabilidade do aço; em aços ao carbono (sem

elementos de liga) a microestrutura típica é perlita “fina” e uma fase pró-eutétóide. O

objetivo é produzir estruturas “refinadas” (devido à maior velocidade de resfriamento

que a encontrada no recozimento), facilitando tratamentos térmicos posteriores. Faz

todo o lote ficar com a mesma estrutura (independente de qual seja). Se o aço não

tiver elemento de liga, forma-se perlita fina, caso tenha é necessário consultar

diagramas.

Têmpera: aumento máximo de resistência num aço pela formação de microestrutura

martensítica.

Austêmpera: aumento de resistência pela formação de microestrutura bainítica,

preferencialmente bainita inferior. Dificuldade: após grande alta taxa de resfriamento,

manter a peça sob temperatura constante.

Revenimento: Tratamento térmico que tem por objetivo aumentar a ductilidade da

martensita através do alívio de tensões internas criadas pelo tratamento térmico de

têmpera (pelo fato da martensita conseguir bloquear totalmente o deslocamento de

discordâncias por se tratar de uma solução sólida supersaturada de carbono no ferro).

A peça é aquecida a uma temperatura abaixo da zona crítica por um tempo

determinado para que haja difusão e, consequentemente, precipitação de cementita.

Perda da tetragonalidade da martensita: TCCCCC. Qualquer tratamento acima de 1h

com temperatura maior ou igual a 80°C já consegue reduzir drasticamente a

fragilidade por tirar o carbono de uma solução sólida supersaturada pela precipitação

da cementita.

Martensita Revenida: Estrutura obtida após o processo de revenimento. Trata-se de

uma matriz de ferrita com cementita finamente dispersa (logo, o mecanismo de

endurecimento é o de partículas finamente dispersas).

Martensita revenida e bainita possuem microestruturas muito parecidas

(partículas de cementita finamente dispersas numa matriz de ferrita), a diferença

ocorre no processo. É muito mais fácil fazer a tempera e depois o revenimento (para

obtenção da martensita revenida) do que parar um resfriamento brusco e manter a

peça depois a uma temperatura constante (para a obtenção da bainita).

Por se tratar de um tratamento com difusão de carbono, quanto maior o tempo

ou a temperatura de revenimento, maior será o tamanho da cementita (por conta do

coalescimento), aumentando a ductilidade e provocando queda da dureza e

resistência da martensita revenida.

Quando, no gráfico de revenimento, o tempo não for informado, admitir que o

tratamento tenha duração entre uma e duas horas. Vale lembrar que é muito mais

eficiente fazer alterações na temperatura de tratamento do que no tempo.

Resumo de tratamentos térmicos de aços e suas principais características:

Cementação: Tratamento termoquímico que visa o aumento da resistência ao

desgaste e à fadiga nas peças. Dá-se por difusão de carbono na superfície da peça

(devendo estar no campo austenítico) quando esta é imersa em um meio onde há mais

carbono que o aço em tratamento, fazendo a superfície adquirir maior resistência que

o núcleo (pela maior %C), enquanto o núcleo permanece tenaz. Dificulta a nucleação

de trincas na superfície e, mesmo que ela ocorra, não permite que ela avance em

virtude do núcleo ser mais tenaz.

Esse tratamento é feito, geralmente, em aços de baixo carbono (<0,25%) para

que haja maior gradiente de difusão. A profundidade da camada cementada depende

do tempo e da temperatura do tratamento (por conta da difusão).

Para que haja uma boa execução de um tratamento de cementação quando

este for encomendado, é imprescindível informar os valores desejados de dureza na

superfície e no núcleo e a profundidade da camada cementada.

Tempera Direta: logo após o processo de cementação a peça é temperada e depois

revenida. Processo não indicado para cementação realizada em meios sólidos por

conta da alta concentração de tensões residuais em virtude de uma camada

cementada não uniforme.

Cementação seguida de Re-Austenitização Parcial: Este procedimento reduz a

praticamente zero o risco de trincas por tensão residual, pois se obtém austenita e

ferrita antes da tempera (com a quantidade de ferrita conhecida, a tenacidade do

material é conhecida). Com isso, ao se temperar, quando a martensita expande seu

volume, a ferrita se deforma (diminuindo a tensão residual), obtendo-se uma estrutura

final, após o revenimento, de martensita revenida e ferrita.

Nitretação: aumenta o teor de nitrogênio na superfície do aço. Esta camada é muito

mais fina quando comparada com a formada por cementação. Este tratamento

termoquímico deve ser feito em temperaturas inferiores a 500°C (por até 90 horas

após a tempera e o revenimento da peça), pois acima dessa temperatura, o nitrogênio

volatiliza por se combinar em N2, saindo do aço na forma de gás. É indicado para peças

que necessitem de alta resistência à fadiga e ao atrito.

Gera dureza superficiais superiores quando comparado com a cementação,

mas é extremamente frágil, portanto, não indicado para peças que sofrerão impactos.

Ocorrer com a formação de nitretos, que são extremamente duros, gerando o

endurecimento pela precipitação destes onde ocorreu a penetração do N. Forma-se

uma camada contínua. Mecanismo de endurecimento atuante: solução sólida de N na

matriz.

Laboratório

Recozimento: Tratamento térmico realizado em um material encruado para recuperar

sua capacidade de deformar. Serve como um “reset” para a %TF (zerando-a) e faz com

que o material volte a ter seu Limite de Escoamento original. É constituído por três

etapas básicas: Recuperação, Recristalização e Crescimento de grão.

Recuperação: Difusão (movimentação atômica), que ocorre principalmente no

contorno de grão, é a etapa que permite a recristalização.

Recristalização: Átomos da fronteira se soltam e geram um novo cristal, átomos

dos grãos encruados se movem (graças a difusão) para esses novos cristais.

Crescimento de Grão: Graças a essa migração, os novos cristais aumentam de

tamanho, e quando todos os novos cristais estão grandes o suficiente para se

“encontrarem”, o processo está terminado. Deve-se tomar cuidado, pois se o

grão continuar a crescer (manter o material submetido à alta temperatura por

tempo maior que o necessário), o material volta a ter sua estrutura inicial

(antes de ser encruado).

Ao encruar, mais defeitos são criados, mais ligações são rompidas e mais isso

favorece a difusão. Quanto maior a %TF e maior a temperatura do forno, mais fácil de

ocorrer a difusão.

Deformação Crítica: Quantidade mínima de encruamento para, com a mesma energia

de ativação, iniciar o processo de recristalização.

O acabamento de uma peça estampada é melhor quando mais refinada for a

estrutura (mais homogêneo e menor o tamanho de grão). Se o tamanho de grão for

elevado, ocorre o chamado “efeito casca de laranja” em que a superfície da peça

estampada fica cheia de imperfeições.

Solução Sólida: Método usado para manufatura de ligas. Apesar do nome, a mistura de

dois ou mais componentes é feita durante a fase líquida do solvente, colocando o

soluto ou na fase sólida ou na fase líquida. Por conta deste fato, após a solidificação, é

sempre uma solução sólida homogênea. Só se observa o soluto (precipitação) quando

a solução é supersaturada.

Qualquer solução sólida (intersticial ou substitucional, com o grão maior ou

menor) gera deformações na estrutura.

Quando o átomo de soluto é maior que o do solvente, ele irá se acomodar no

campo trativo ocasionado pela discordância, com isso, o campo que era trativo torna-

se compressivo, fazendo com que a discordância fique pivotada (travada) entre os dois

campos compressivos. Com a impossibilidade da locomoção da discordância, o

material perde ductilidade e torna-se, portanto, mais resistente.

O oposto ocorre quando se adiciona um átomo de soluto menor que o do

solvente. Este átomo menor irá se acomodar no campo compressivo gerado pela

discordância, tornando este campo trativo. Como a discordância ficará entre dois

campos trativos, ela fica pivotada, ocasionando a perda de ductilidade e

consequentemente um aumento na resistência.

Ligas (tanto de alumínio quanto de cobre) trabalháveis possuem melhores

propriedades mecânicas que as ligas fundidas.

Anodização: Camada de Alumina (Al2O3) para aumentar a resistência mecânica e a

resistência à corrosão.

Ligas Tratáveis Termicamente: Ligas que conseguem aumento de resistência após

tratamento térmico (séries 2,6 e 7)

Ligas Não Tratáveis Termicamente: Ligas que não conseguem aumento de resistência

após tratadas termicamente.

Partículas Finamente Dispersas: Em uma solução sólida, após a adição de soluto (ainda

não havendo saturação) existe apenas uma fase homogênea (identificada em

microscópio, para determinar se há partículas ou não é necessária uma análise

química). Quando há saturação da liga, observa-se a formação de precipitados (fase β).

Coloca-se o material novamente no forno para que, com o aumento de temperatura,

as partículas se diluam novamente. Após retirar do forno e deixar envelhecer, observa-

se o surgimento de pequenos grupos de precipitado (fase β’). Esses pequenos grupos

de precipitados restringem o movimento das discordâncias (lembrar do copo com água

e açúcar).

Precipitado Coerente: Ligação coerente com as ligações da matriz, gerando um campo

de deformações ao seu redor. As discordâncias param de se movimentar antes de

chegar neste campo.

Partículas Incoerentes: Ligação do precipitado “não batem” com as ligações da matriz,

não gera o campo de deformações. As discordâncias param de se movimentar quanto

encontram o precipitado.

Estrutura “Liquada”: Fusão do contorno de grãos por conta de atingir, na solubilização,

o patamar da temperatura eutética. Esse fato estraga todas as propriedades do

material.

Quanto maior a velocidade de solidificação de ligas de alumínio (maior taxa de

transferência de calor) maior é a nucleação na estrutura do material. Essa nucleação

torna o material mais resistente por refinar mais a estrutura. O molde tipo coquilha

produz uma troca de calor mais rápida que o molde de areia.

Quanto maior a concentração de Silício (Si) na liga de alumínio, a liga ganha

dureza, resistência mecânica e fundibilidade, enquanto perde tenacidade e

usinabilidade. Contudo o alumínio, na temperatura ambiente, expulsa o silício da sua

estrutura, fazendo com que este ultimo se deposite apenas nas periferias. Muitas

vezes esse fato pode ser útil, como na fabricação das camisas de pistões (mais duras

no interior, com maior concentração de Si, e mais flexíveis em seu exterior, com menor

concentração).

Elemento Nucleante: Elemento que é adicionado a liga (por exemplo o estrôncio na

liga AlSi) que tem a função que criar pequenos núcleos de solidificação durante o

resfriamento da peça fundida, tornando a estrutura mais refinada, gerando um

aumento da resistência mecânica. Funciona diminuindo o tamanho do solvente da liga,

e deixando a mesma mais homogênea. Além disso, aumenta a tenacidade do material

(capacidade de absorver energia). Caso haja adição excessiva de elemento nucleante,

pode ocasionar o surgimento de novas fases, em geral em forma de agulha, que pode

fragilizar o material.

Processo de Desgaseificação: Processo realizado para retirar gases do material fundido

para que, ao se solidificar, o metal não fique com núcleos de em seu interior, o que

acaba por fragilizar a estrutura. Esse procedimento é feito injetando outro gás que

“aglutina” o gás do metal e o leva até a superfície.

Quanto maior a taxa de resfriamento, mais refinada será a estrutura. Em ordem

crescente de taxa de resfriamento(e, obviamente de refino de estrutura):

Areia Coquilha Sob Pressão

Todos os tratamentos das ligas Fe-C serão feitos em torno de 912°C, pois é

quando ocorre a transformação de ferrita (α - CCC) para austenita (γ- CFC) durante o

aquecimento e transformação de austenita em ferrita no resfriamento.

Reação Eutética: Formação de dois sólidos através de um líquido:

Líquido0,76% C↔Austenita2,14% C + Cementita6,7% C

Reação Eutetóide: Similar a reação eutética. Formação de dois sólidos através de outro

sólido:

Austenita0,76% C ↔ Ferrita0,022% C + Cementita6,7% C

Até 2% de carbono no ferro é Aço (Dúctil e maleável pela baixa concentração

de C). Acima de 2% é Ferro Fundido (Frágil e não maleável pela alta concentração de

C).

Perlita: Estrutura composta por duas fases lamelares dispostas de modo alternado de

ferrita e cementita (após a transformação da austenita).

Aço Eutetóide: Toda austenita se transforma em ferrita e cementita (100% Perlita).

Passa pela reação eutetóide. Aspecto “zebrado”.

Aço Hipoeutetóide: No resfriamento, a Austenita se transforma em austenita e ferrita

e depois que passa pelo patamar eutetóide (727°C), a austenita se transforma em

ferrita e cementita (portanto, ferrita e perlita). Ver ilustração no material de aula dia

18/03/2011. Somente para este tipo de aço é possível determinar a quantidade

aproximada de perlita formada. Tomando como exemplo um aço 1010 0,1%C:

100%P --- 0,8%C

X -------0,1%C X=12,5% Perlita e portanto, 87,5% de Ferrita.

Aço Hipereutético: No resfriamento, austenita se transforma em austenita e

cementita, e após cruzar o patamar eutético, a cementita continua e a austenita se

transforma em ferrita e cementita (portanto, cementita e perlita). Ver ilustração no

material de aula dia 18/03/2011

Ferrita primária ou Próeutetóide: aquela formada antes do patamar eutetóide em aços

hipoeutetóides.

Cementita Primária ou Próeutetóide: aquela formada antes do patamar eutetóide em

aços hipereutéticos.

Curva TTT: Tempo, Temperatura, Transformação. Diagrama que mostra a

transformação do material em função do tempo e da temperatura. No exemplo

abaixo, o TTT de um aço ABNT 1080 (Aço Eutetóide)

AAustenita acima do patamar eutetóide

BAustenita “percebe” que está abaixo do patamar eutetóide e já deveria ter se

transformado em perlita

CInício da transformação da austenita em perlita

DFim da transformação da austenita em perlita

Quanto menor a temperatura de transformação, menor a mobilidade

(dificultando a difusão), portanto as lamelas formadas são mais finasMaterial mais

resistente.

Sempre que se ganha resistência mecânica, se afasta da condição de equilíbrio

do material (condição de mínima energia), portanto, quanto mais longe do equilíbrio,

mais resistente é o material (pois a perlita fica mais fina pela dificuldade de difusão).

Bainita: Matriz de ferrita com cementita finamente dispersa. Essa estrutura é

observada quando o resfriamento é muito abrupto não possibilitando, portanto, a

formação da ferrita e cementita em sua estrutura lamelar (perlita).

Martensita: Estrutura toda em forma de agulha obtida pelo resfriamento ainda mais

brusco, impossibilitando a difusão (formação de cementita). O processo para obtenção

da estrutura martensítica é a tempera.

Tempera: Tratamento com o objetivo de se conseguir uma estrutura martensítica.

Austenita Retida: Austenita presa pela martensita após resfriamento brusco.

Trincas de tempera são SEMPRE intergranular.

A martensita tem altíssima resistência mecânica e praticamente não possui

ductilidade. Para evitar que o material seja extremamente frágil, faz-se o tratamento

de revenimento.

Diagrama TRC: Taxa de Resfriamento Constante. Mostra o resfriamento contínuo de

uma amostra até a temperatura ambiente.

Taxa de Resfriamento Crítico: curva do diagrama TRC que mostra que acima dela,

ocorre difusão (formação de perlita, bainita), e que abaixo dela, não ocorre (formação

de martensita).

O recozimento apaga todo o histórico térmico do aço.

Esferoidita: matriz de ferrita com cementita glubolizada (24h entre 650°C e 700°C).

Tratamento feito para aumentar a usinabilidade.

A estrutura martensítica é a mais dura que se pode conseguir num aço. Tal

dureza depende da concentração de carbono no aço.

Martempera: Tratamento térmico para obtenção da martensita com menor nível te

tensões residuais, diminuindo o empenamento, as trincas e distorções.

Austempera: Tratamento térmico para obtenção da bainita, visando maior ductilidade

e tenacidade para os mesmos níveis de dureza obtidos pelo tratamento de têmpera e

revenimento.

Temperabilidade: Capacidade de um aço de se obter martensita, a partir da austenita e

de um resfriamento brusco.

Ao adicionar elementos de liga e/ou o meio de resfriamento, muda-se a

disposição das curvas TRC, podendo melhorar a temperabilidade do aço. Essas são

soluções para problemas de temperar peças especas, onde o núcleo não terá a mesma

taxa de resfriamento que a superfície. Para isso, deve-se deslocar as curvas de

resfriamento para a esquerda e/ou deslocar a TRC para a direita.

Elementos de Liga Gamagênicos: abaixam a zona crítica. Obtém-se aço austenítico à

temperatura ambiente.

Elementos de Liga Alfagênicos: levantam a zona crítica. Causa elevadas temperaturas

de tempera.

Fatores que aumentam a temperabilidade do aço (Jogam a TRC mais para a direita):

1. % de carbono: quanto maior a concentração (até o ponto eutetóide), menor vai

ser a região de formação de ferrita pró, logo, difusão mais difícil, portanto,

maior a chance de se conseguir martensita.

2. Elementos de Liga: Faz o campo de formação de ferrita e cementita diminuir e

o abaixamento da faixa de formação martensitica.

3. Tamanho de Grão Austenítico: Quanto maior o grão da austenita (menor a área

de contorno de grão, menos locais para a formação de austenita), menor a

chance de ocorrer difusão, portanto menor a chance de obtenção de ferrita,

melhor para a obtenção de austenita.

4. Homogeinização da Austenita

5. Temperatura de Austenitização

Ensaio Jominy: Determina a temperabilidade do aço. Refrigeração por água de um

corpo de prova de um modo não homogêneo. Forma-se um gradiente de durezas

devido às diferentes microestruturas presentes no mesmo corpo de prova em virtude

do resfriamento desigual do mesmo. Ocorre formação de martensita na ponta do

corpo de prova (onde há contato direto com a água, não ocorrendo difusão), no

restante difusão, formando outras microestruturas à medida que a difusão é facilitada.

Quanto menor é o gradiente de dureza obtido no ensaio, maior é a temperabilidade do

aço.

Revenimento: Tratamento de peças que foram temperadas (possuem martensita) com

o objetivo de ganhar tenacidade. Graças ao alívio de tensões que este tratamento

promove, há uma queda na resistência mecânica e um aumento de ductilidade.

Coloca-se a peça no forno (com determinada temperatura por certo período de

tempo) para que haja difusão, obtendo a estrutura martensítica revenida (matriz de

ferrita com cementita dispersa).

Quanto maior o tempo no forno, maior o alívio de tensão, menor a dureza,

maior a ductilidade.

Obs.:

Quenching =Temperado

Tempered=Revenido.

Temperado e Revenido: T/R (português) ou Q/T (inglês)

Cementação: Tratamento termoquímico para aumentar a resistência ao desgaste e à

fadiga da peça através de difusão de carbono na superfície do material

proporcionando alta resistência superficial com boa tenacidade no núcleo. Aquece-se

o material até o campo austenítico (geralmente em torno de 900°C a 950°C) para que a

difusão ocorra (meio sólido, líquido ou gasoso) e depois pode-se (ou não) fazer a

tempera direta resfriando o material abruptamente para obtenção de martensita para

que depois se faça o revenimento.

Este tratamento é feito em aços de baixo carbono (<0,25%C) para que a difusão

não seja dificultada. O meio carbonetante pode ser:

Sólido (cementação em caixa): adequado a peças que necessitem de uma

pequena camada, baixo custo e não necessidade de maquinário sofisticado,

para peças que serão usinadas antes da têmpera, produz uma camada

heterogênea, logo não é recomendado para tempera direta;

Líquido (banho em sais fundidos): produz uma camada homogênea e com teor

uniforme de carbono, mais rápida que os demais, é extremamente tóxico (por

conta do uso do cianeto), requer pré-aquecimento da carga;

Gasoso (atmosfera controlada): Indicado para produção seriada e fornos

contínuos, maior custo, processo menos poluente, permite melhor controle das

variáveis envolvidas, adequado para a têmpera direta, requer maquinário caro

e específico, maior o custo. Por exemplo, pode-se precisar da utilização de duas

câmaras, onde a primeira adiciona-se carbono à estrutura enquanto a segunda

o difunde para o interior da peça.

Ver esquemas de processos no slide ML10 – pg 12 à 17

Temperatura, tempo no forno, potencial de carbono na atmosfera, %C no aço

original e elementos de liga são variáveis que interferem diretamente no processo de

cementação.

Camada cementada total: distância medida perpendicularmente à superfície até onde

se observa alterações na microestrutura

Camada cementada efetiva: espessura de camada até onde se tem o valor de dureza

acima do especificado.

Ferro Fundido Branco: %C no ferro é >2,1%C. Ao se solidificar, o carbono se precipita,

formando cementita. Portanto, a matriz do ferro fundido é cementita, por conta disso

ele é muito mais duro e muito mais frágil que aços. Pode ser eutético (4,30%C – 100%

ledeburita), hipoeutético (<4,30%C – ledeburita + dentritas de perlita) ou hipereutético

(>4,30%C – ledeburita + agulhas primárias de cementita).

Ledeburita: microestrutura de matriz de cementita com “ilhas” (nódulos) de perlita.

F°F° Branco de Alta Liga: o alto teor de cromo gera carbonetos de cromo (mais duro

que a cementita) promovendo elevada dureza (extremamente frágil) e uma excelente

resistência ao desgaste.

F°F° Maleável: Ao colocar o F°F° Branco no forno entre um dia (núcleo negro, numa

temperatura acima do patamar eutético) e três dias (núcleo branco, numa

temperatura abaixo do patamar eutético), permite-se a difusão de C, que forma

aglomerados de grafita numa matriz de ferrita. Por conta disso, este tipo de F°F° é mais

maleável (dúctil, mole) que os demais.

Silício: Atua no F°F° como elemento grafitizante, pois faz com que o carbono não se

precipite em forma de cementita, e sim na forma de grafita, formando o F°F° cinzento

ferrítico, que possui sua matriz de ferrita sendo, portanto, mais dúctil.

F°F° Cinzento: Apresenta boa resistência ao desgaste, baixo custo, boa conformidade,

Bom amortecimento de vibrações (usado em bases de máquinas operatrizes),

excelente usinabilidade.

F°F° Cinzento Perlítico: adição de estanho no F°F° cinzento ferrítico para se

obter uma matriz de perlita, mais dura que a anterior.

F°F° Cinzento Martensítico: F°F° cinzento perlítico que passa pelo tratamento

térmico de tempera.

F°F° Nodular: Altera a morfologia da grafita de veios contínuos para nódulos (esferas),

obtendo-se uma matriz metálica mais contínua, composta de ferrita e perlita. Por

conta disso, apresenta melhora de ductilidade com elevada resistência mecânica e boa

resistência à fadiga.

F°F° Mesclado (Coquilhado): apresenta carbono tanto na forma combinada (F°F°

branco, normalmente na superfície da peça) como também na forma de grafita (F°F°

cinzento no núcleo da peça). Apresenta propriedades dos dois tipos de F°F°.

Autor: Lucas Cremonese Rodrigues