ciências dos materiais- 232 · recristalização aula 6 – tratamentos térmicos tipos de...
TRANSCRIPT
26/05/2015 1 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
1
Professor: Luis Gustavo Sigward Ericsson
Curso: Engenharia Mecânica
Série: 5º/ 6º Semestre
Ciências dos materiais- 232
Quinta
Quinzenal Semana par
Aula 6 - Tratamentos Térmicos
26/05/2015 2 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Glossário
Aula 6 – Revisão
Aços Hipereutetóides
Aços Hipereutetóides
Aços eutetóides
Ferro Puro = até 0.008 wt% C Aço = 0.008 and 2.14 wt% C Ferro Fundido = 2.14 and 6.70 wt% C
26/05/2015 3 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Glossário
Aula 6 – Revisão
Ferrita: Ferro no estado alotrópico α, contendo traços de carbono. Possui baixa dureza e resistência à tração, mas elevado alongamento. Magnética até 768ºC.
Cementita: É o carboneto de ferro (Fe3C) contendo 6,67% de C. Dureza elevada, frágil e é responsável pela elevada dureza e resistência dos aços de alto Carbono, assim como pela sua menor ductilidade.
Perlita: É a mistura mecânica de 88% de ferrita e 12% de cementita, na forma lamelar, dispostas alternadamente. As propriedades mecânicas da perlita são, portanto, intermediárias entre as da ferrita e da cementita. Por outro lado as propriedades da perlita dependem muito do espaçamento interlamelar e este por sua vez, da velocidade de resfriamento.
Austenita: Consiste de uma solução sólida de carbono no Ferro γ. Possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade.
Bainita: Apresenta valores de dureza, e resistência a tração, em geral maiores que a perlita, pois suas partículas de ferrita e cementita são menores. Valores médios de 550 a 375 HB
Martensita: É uma fase metaestável composta por ferro que está supersaturada com carbono e que é o produto de uma transformação sem difusão da austenita. A dureza da martensita depende do teor de carbono e dos elementos de liga do aço, sendo que um maior teor de carbono resultará em uma martensita de maior dureza.
26/05/2015 4 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Tratamentos Térmicos
Objetivos:
- Remoção de tensões internas
- Aumento ou diminuição da dureza
- Aumento da resistência mecânica
- Melhora da ductilidade
- Melhora da usinabilidade
- Melhora da resistência ao desgaste
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
26/05/2015 5 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Tratamentos Térmicos
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Propriedades mecânicas dos materiais dependem da composição da liga, da estrutura cristalina e das suas condições de fabricação.
Material se [N/mm2] %A
Fe puro (a) 100 62%
Fe - 0,2%C (a + Fe3C) 230 35%
Fe - 0,8%C (a + Fe3C) 450 14%
3 ligas de aço comuns no estado recozido com teores diferentes de C:
Material - 1080 se [N/mm2] %A
Recozido 450 14%
Temperado 1960 1%
Temperado e 880 7%
Mesmo aço eutetóide com 3 tratamento térmicos diferentes:
26/05/2015 6 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Tratamentos Térmicos
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
MATERIAL + TRATAMENTO TÉRMICO
O TRATAMENTO TÉRMICO ESTÁ ASSOCIADO DIRETAMENTE AO TIPO DE MATERIAL.
PORTANTO, DEVE SER ESCOLHIDO DESDE O INÍCIO DO PROJETO
26/05/2015 7 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
• Temperatura
• Tempo
• Velocidade de resfriamento
• Atmosfera*
• Elementos de liga
* para evitar a oxidação ou perda de algum elemento químico (ex: descarbonetação dos aços)
26/05/2015 8 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
Temperatura
Depende do tipo de material e da
transformação de fase ou
microestrutura desejada.
Quanto mais alta a temperatura,
acima da zona crítica, maior segurança
se tem da completa dissolução das
fases na austenita. Por outro lado,
maior será o tamanho de grão.
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
26/05/2015 9 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
Tempo
O tempo de tratamento térmico
depende muito das dimensões da peça
e da microestrutura desejada.
Quanto maior o tempo:
• maior a segurança da completa
dissolução das fases para
posterior transformação
• maior será o tamanho de grão
Tempos longos facilitam a oxidação
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
26/05/2015 10 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
Velocidade de Resfriamento
Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada.
É o mais importante porque é ele que efetivamente determinará a microestrutura, além da composição química do material.
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
26/05/2015 11 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
• Ambiente do forno (+ brando)
• Ar
• Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de Pb)
• Óleo
• Água
• Soluções aquosas de NaOH, Na2CO3 ou NaCl (+ severos)
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
Meios de Resfriamento
26/05/2015 12 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Curvas de Resfriamento
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
26/05/2015 13 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
É um compromisso entre:
• Obtenção das características finais desejadas (microestruturas e propriedades)
• Sem o aparecimento de fissuras e empenamento na peça
• Sem a geração de grande concentração de tensões
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Seleção do meio de resfriamento
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
26/05/2015 14 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Elementos de liga
Fatores que Influenciam nos Tratamentos Térmicos
As adições de elementos de ligas (Cr, Ni, Ti, etc.) trazem alterações no diagrama de fases binário para o sistema ferro-cementita. Uma das importantes alterações é o deslocamento da posição eutetóide em relação à temperatura e à concentração de carbono
900
1100
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
700 727oC 0,76
Aço carbono comum
Aço 2,5% Mn
Aço 0,3% Ti
700oC 0,6
820oC 0,28
26/05/2015 15 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Fe 3 C
cementite
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
austenite
g +L
g +Fe3C
a
ferrite
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) Co , wt% C
Eutectic:
Eutectoid:
0.76
4.30
727ºC
1148ºC
T(ºC)
O termo recozimento refere-se a um tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura elevada por um período de tempo longo e a seguir é lentamente resfriado. Recozimento é realizado para: (1) Remoção de tensões internas devido aos tratamentos mecânicos (2) Diminuir a dureza para melhorar a usinabilidade (3) Alterar as propriedades mecânicas como a resistência e ductilidade
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
26/05/2015 16 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Tipos de Recozimento:
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Tipo Aplicação
Alívio de tensões Qualquer liga metálica
Recristalização Qualquer liga metálica
Homogeneização Peças fundidas
Total ou pleno Aços
Esferoidização Aços
Tipos de Recozimento:
• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)
• Para recristalização (qualquer liga metálica)
• Para homogeneização (para peças fundidas)
• Total ou pleno (aços)
• Isotérmico ou cíclico (aços)
Homogeneização
900
1100
A1
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
Esferoidização
A3
Acm
700 727oC
0,76
Recristalização
Alívio de tensão
26/05/2015 17 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Alívio de tensão
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Tipos de Recozimento:
• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)
• Para recristalização (qualquer liga metálica)
• Para homogeneização (para peças fundidas)
• Total ou pleno (aços)
• Isotérmico ou cíclico (aços)
Objetivo: Remoção de tensões internas originadas de processos (tratamentos mecânicos, soldagem, corte, …)
Temperatura: Abaixo da zona crítica (500o C a 650o C)
Resfriamento: Deve-se evitar velocidades muito altas devido ao risco de distorções
900
1100
A1
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
Alívio de tensão
A3
Acm
700 727oC
0,76
26/05/2015 18 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Recristalização
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Tipos de Recozimento:
• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)
• Para recristalização (qualquer liga metálica)
• Para homogeneização (para peças fundidas)
• Total ou pleno (aços)
• Isotérmico ou cíclico (aços)
Objetivo:
Elimina o encruamento gerado pela deformação à frio ( amolecer e aumentar a ductilidade de um metal).
Utilizado durante procedimentos de fabricação que exigem extensa deformação plástica.
Temperatura: Abaixo da zona crítica (550 oC a 700 oC)
Resfriamento: Lento (ao ar ou ao forno)
900
1100
A1
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
A3
Acm
700 727oC
0,76
Recristalização
26/05/2015 19 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Homogeneização
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Tipos de Recozimento:
• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)
• Para recristalização (qualquer liga metálica)
• Para homogeneização (para peças fundidas)
• Total ou pleno (aços)
• Isotérmico ou cíclico (aços)
Objetivo:
Melhorar a homogeneidade da microestrutura de peças fundidas através da difusão dos elementos.
Utilizado em aços em lingotes que são difíceis de trabalhar a quente.
Temperatura: Entre 1050 oC a 1200 oC.
Resfriamento: Lento (ao ar ou ao forno)
Homogeneização
900
1100
A1
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
A3
Acm
700 727oC
0,76
26/05/2015 20 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Recozimento total ou pleno
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Tipos de Recozimento:
• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)
• Para recristalização (qualquer liga metálica)
• Para homogeneização (para peças fundidas)
• Total ou pleno (aços)
• Isotérmico ou cíclico (aços)
Objetivo:
Amolecer o aço
Regenerar sua microestrutura apagando tratamentos térmicos anteriores
Temperatura:
Hipoeutetóides e eutetóides : 50 oC acima do limite superior da zona crítica (linha A3)
Hipereutetóides: 50 oC acima do limite inferior da zona crítica (linha A1)
Resfriamento: Lento (ao ar ou ao forno)
900
1100
A1
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
A3
Acm
700 727oC
0,76
26/05/2015 21 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Recozimento total ou pleno
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Tipos de Recozimento:
• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)
• Para recristalização (qualquer liga metálica)
• Para homogeneização (para peças fundidas)
• Total ou pleno (aços)
• Isotérmico ou cíclico (aços)
Constituintes estruturais resultantes
Observações:
A perlita grosseira é ideal para melhorar a usinabilidade dos aços baixo e médio carbono.
Para melhorar a usinabilidade dos aços alto carbono recomenda-se a esferoidização.
Constituintes estruturais resultantes
Hipoeutetóide ferrita + perlita grosseira
Eutetóide perlita grosseira
Hipereutetóide cementita + perlita
grosseira
Hipoeutetóide -> ferrita + perlita grosseira
Eutetóide -> perlita grosseira
Hipereutetóide-> cementita + perlita grosseira Ferrite (white) and pearlite in a hot-rolled Fe – 0.2%
C binary alloy Ferrite (white) and pearlite in a hot-rolled Fe – 0.4% C binary alloy
Coarse lamellar pearlite in a hot-rolled Fe – 0.8% C binary alloy
Intergranular proeutectoid cementite and pearlite in a hot-rolled Fe – 1.0% C binary alloy
26/05/2015 22 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Esferoidização ou coalescimento
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Tipos de Recozimento:
• Para alívio de tensões (qualquer liga metálica)
• Para recristalização (qualquer liga metálica)
• Para homogeneização (para peças fundidas)
• Total ou pleno (aços)
• Isotérmico ou cíclico (aços)
Objetivo Produção de uma estrutura globular ou esferoidal de carbonetos no aço melhora a usinabilidade, especialmente dos aços alto carbono facilita a deformação a frio
Constituintes estruturais resultantes
Hipoeutetóide ferrita + perlita grosseira
Eutetóide perlita grosseira
Hipereutetóide cementita + perlita
grosseira
Matriz
Ferrita Glóbulos
Cementita
26/05/2015 23 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Recozimento
Esferoidização ou coalescimento
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Métodos de produção
Ciclo 1 – Aços hipo: aquecimento abaixo
de A1.
Ciclo 2 – Aços hiper: aquecimentos e
arrefecimentos alternados à volta de
A1, o que diminui a estabilidade da
cementita, arredondando-a.
900
1100
A1
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
Esferoidização
A3
Acm
700 727oC
0,76
Alívio de tensão Aços hipo: aquecimento abaixo de A1
•Aços hiper: aquecimento acima de A1ou
aquecimentos e arrefecimentos alternados
à volta de A1, o que diminui a estabilidade
da cementita, arredondando-a.
26/05/2015 24 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Normalização
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Aços hipo: aquecimento abaixo de A1
•Aços hiper: aquecimento acima de A1ou
aquecimentos e arrefecimentos alternados
à volta de A1, o que diminui a estabilidade
da cementita, arredondando-a.
Objetivo:
O objetivo é obter uma estrutura homogênea. Reduzir o tamanho de grão da ferrita e da perlita.
Criar uma estrutura favorável para a têmpera (eliminar alinhamento de carbonetos, estruturas aciculares, fibras de laminagem,...).
Processo de
afinamento do
tamanho de
grão.
26/05/2015 25 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Normalização
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Aços hipo: aquecimento abaixo de A1
•Aços hiper: aquecimento acima de A1ou
aquecimentos e arrefecimentos alternados
à volta de A1, o que diminui a estabilidade
da cementita, arredondando-a.
Temperatura:
Hipoeutetóide e eutetóide → 30 oC acima do recozimento pleno
Hipereutetóide→ 50 oC acima do limite superior da zona crítica
Obs: Estágio curto para não aumentar o tamanho de grão.
Resfriamento: Ao ar (calmo ou forçado)
900
1100
A1
500
0,5 1,0 1,5 2,0
q oC
% C
A3
Acm
700 727oC
0,76
Alívio de tensão
26/05/2015 26 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Normalização
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Aços hipo: aquecimento abaixo de A1
•Aços hiper: aquecimento acima de A1ou
aquecimentos e arrefecimentos alternados
à volta de A1, o que diminui a estabilidade
da cementita, arredondando-a.
Constituintes estruturais resultantes
Hipoeutetóide -> ferrita + perlita fina
Eutetóide -> perlita fina
Hipereutetóide-> cementita + perlita fina
Observação
Em relação ao recozimento a microestrutura é mais fina, apresenta menor quantidade e melhor distribuição de carbonetos
Recozido Completo vs Recozido de Normalização
ε
σ
26/05/2015 27 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Têmpera
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Objetivo:
Obter estrutura martensítica que promove:
• Aumento na dureza
• Aumento na resistência à tração
• Redução na tenacidade
A têmpera gera tensões → deve-se fazer revenido após a têmpera
26/05/2015 28 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Têmpera
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
http://www2.dbd.puc-
rio.br/pergamum/tesesabertas/0721391_09
_cap_02.pdf
Temperatura:
Superior à linha crítica (A1)
Resfriamento: Rápido de maneira a formar martensíta (ver curvas TTT)
Meio de resfriamento: Depende da composição e espessura da peça
Objetivo: Alivia ou remove tensões
Corrige a dureza e a fragilidade, diminuindo a dureza e aumentando a tenacidade.
SEMPRE acompanha a têmpera
26/05/2015 29 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Revenido
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
26/05/2015 30 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Martêmpera
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
O resfriamento é temporariamente interrompido, criando um passo isotérmico, no qual toda a peça atinga a mesma temperatura. A seguir o resfriamento é feito lentamente de forma que a martensita se forma uniformemente através da peça. A ductilidade é conseguida através de um revenimento final.
26/05/2015 31 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Austêmpera
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
• Outra alternativa para evitar distorções e trincas é o tratamento denominado austêmpera, ilustrado ao lado.
• Neste processo o procedimento é análogo à martêmpera. Entretanto a fase isotérmica é prolongada até que ocorra a completa transformação em bainita. Como a microestrutura formada é mais estável (a+Fe3C), o resfriamento subsequente não gera martensita. Não existe a fase de reaquecimento, tornando o processo mais barato
26/05/2015 32 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Martêmpera e Austêmpera
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
Alternativas para evitar distorções e trincas
26/05/2015 33 2015-1_CM_Aula06_TratTermico.pdf
Exercícios
Aula 6 – Tratamentos Térmicos
1- Monte uma tabela comparando os tratamentos térmicos
discutidos em sala de aula. Devem ser comparadas as aplicação,
níveis de temperatura, resfriamento e quais são os constituintes
estruturais resultantes.
2- Explique por que ao se variar a velocidade de resfriamento
podem ser obtidas microestruturas com diferentes níveis de dureza.
3- Qual a diferença entre a martêmpera e a austêmpera?