Metalurgia Física: Estruturas, Difusão, Aços e Tratamentos Térmicos

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1.2. Sistemas Cristalinos

1.2.1. Reticulados Especiais

Os átomos, no estado líquido ou sólido, situam-se próximos, pois apresentam ligação entre si.

Nos líquidos e nos sólidos amorfos, esta estrutura é de curto alcance, ou seja, o volume que se encontra arranjado ordenadamente é relativamente pequeno. Os sólidos amorfos são chamados genericamente de vidros e, durante o aquecimento, amolecem gradualmente até fluir como um líquido. Nos casos em que a estrutura, ou arranjo coordenado, estende-se espacialmente (tridimensionalmente) por longas distâncias, têm-se os sólidos cristalinos.

Um caso intermediário entre as condições amorfa e cristalina é o que ocorre com os polímeros, onde há repetição do arranjo atômico, seguindo apenas uma direção do espaço.

Os cristais, isto é, os conjuntos de átomos ordenados segundo uma configuração periódica em três dimensões, enquadram-se em um dos 7 sistemas cristalinos indicados na Tabela 1.3. Estes sistemas são descritos através dos parâmetros lineares e angulares apresentados na Figura 1.7.

1.2.3. Estrutura Cúbica de Corpo Centrado (CCC)

A estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC) apresenta um átomo em cada vértice da célula unitária e um átomo no centro, como indicado na Figura 1.8.

1.2.4. Estrutura Cúbica de Face Centrada (CFC)

A Figura 1.9 apresenta a célula unitária da estrutura cristalina Cúbica de Face Centrada (CFC) que possui um átomo em cada vértice do cubo e um átomo no centro de cada face.

1.2.5. Estrutura Hexagonal Compacta (HC)

A Figura 1.10 apresenta a célula unitária da estrutura cristalina Hexagonal Compacta (HC), que possui um átomo em cada vértice do prisma hexagonal, um átomo no centro das bases e 3 átomos no centro do prisma.

1.3. Defeitos na Estrutura Cristalina

1.3.1. Formação da Estrutura Cristalina

Quando um metal, ou liga no estado líquido, é resfriado até seu ponto de fusão, inicia-se a solidificação, através da formação de cristais em pontos da massa líquida. A cristalização irá formar estruturas cristalinas que são dependentes do metal ou da composição da liga.

Conforme exemplificado na Figura 1.12, ao se considerar o resfriamento do metal no estado líquido dentro de um molde, surgem, em vários locais, núcleos para a solidificação. Os cristais crescem a partir destes núcleos, até que começam a se encontrar uns com os outros na fase final da solidificação, produzindo interfaces.

Denomina-se grão cada cristal individual do material. No caso do material policristalino, cada grão encontra-se cercado por vários outros. A superfície de encontro de dois grãos é denominada contorno de grão.

1.3.2. Imperfeições Associadas à Composição Química

Os átomos de outros elementos, sejam impurezas ou elementos de liga, podem acomodar-se na estrutura cristalina de um dado metal, formando uma solução sólida.

Chama-se matriz à estrutura cristalina do metal considerado, que é denominado solvente.

Os outros elementos, cujos átomos estão na solução sólida, são denominados solutos.

Os átomos solutos podem estar em solução sólida substitucional, quando ocupam posições dos átomos da matriz na estrutura cristalina, ou em solução sólida intersticial, quando ocupam interstícios na estrutura cristalina. As Figuras 1.13 e 1.14 ilustram estes casos.

Figura 1.13 – Solução sólida substitucional: (a) átomos maiores; (b) átomos menores que os da matriz.

Figura 1.14 – Solução sólida intersticial.

A distorção na estrutura cristalina, provocada pelos átomos em solução, significa um afastamento dos átomos da sua posição de equilíbrio, correspondente ao nível mínimo de energia. Os átomos que se encontram nesta região de distorção possuem, portanto, um nível energético mais elevado que os átomos que constituem as porções perfeitas da rede cristalina.

2. Difusão

2.1. Vibrações Térmicas

Os átomos de um metal se encontram em movimento, vibrando em torno da sua posição na estrutura cristalina. Quanto maior a temperatura, maior será a intensidade da vibração dos átomos, porque deste modo se armazena no metal a energia utilizada para o aquecimento. Esta energia é liberada durante o resfriamento.

A difusão é muito mais rápida em temperaturas elevadas, porque há um número maior de lacunas e um número maior de átomos com energia térmica (vibração térmica) superior ao mínimo necessário para a mudança de posição.

2.2. Mecanismos de Difusão

Os mecanismos de difusão mais prováveis são:

  • A difusão substitucional, onde um átomo em solução sólida substitucional “pula” para a lacuna vizinha.
  • A difusão intersticial, onde um átomo em solução sólida intersticial “pula” de um interstício para outro.

A difusão pode ser dos seguintes tipos:

  1. Difusão Intragranular (ou no Volume): Os átomos se deslocam pelas posições correspondentes no sistema cristalino. Tem-se a difusão substitucional e a difusão intersticial, conforme a movimentação seja de átomos em solução sólida substitucional ou intersticial.
  2. Difusão na Superfície Livre e nos Contornos: Como as superfícies livres do metal e os contornos de grão são superfícies mais abertas, isto é, apresentam maior espaço entre os átomos e, como seus átomos também possuem energia mais elevada, têm-se a formação de caminhos preferenciais para a difusão segundo tais superfícies.
  3. Difusão nas Linhas de Discordâncias (ou Difusão Tubular): Os espaços mais abertos associados a uma linha de discordância facilitam a difusão. Tal tipo de difusão é mais importante, se a densidade de discordâncias for elevada.

5. Aços Carbono

5.1. Diagrama Ferro-Carbono

O diagrama de equilíbrio ferro-carbono estável é obtido considerando-se a formação de grafite e encontra-se apresentado na Figura 5.1.

Figura 5.1 – Diagrama de equilíbrio Fe-C e suas fases

Observando-se a Figura 5.1, verifica-se que o teor de carbono é considerado até 6,7%, que corresponde à concentração de carbono na cementita (Fe3C), porém as ligas de interesse vão até 4,3%. Teores mais elevados que 6,7% não têm interesse prático. A cementita cristaliza-se no sistema ortorrômbico e é de grande dureza, aumentando a resistência à tração e a fragilidade dos aços. Por outro lado, para um teor de carbono igual a zero, temos o ferro puro que, dependendo da temperatura, irá se cristalizar segundo as estruturas CCC e CFC.

Classificação dos Aços Carbono:

  • Aço Doce: Baixíssimo carbono, com teor inferior a 0,008%, em matriz essencialmente ferrítica.
  • Aço de Baixo e Médio Teor de C: Entre 0,008% e 0,8%.
  • Aço de Alto Teor de C: Entre 0,8% e 2,0%.
  • Ferros Fundidos: Entre 2,0% e 4,3%.

No processo de solidificação, o ferro, inicialmente, em uma temperatura de 1534ºC, se cristaliza segundo a estrutura cúbica de corpo centrado, formando a ferrita gif;base64,R0lGODlhDgASAHcAMSH+GlNvZnR3Y (ferro gif;base64,R0lGODlhDgASAHcAMSH+GlNvZnR3Y ). Esta, em uma temperatura de 1390ºC, se transforma em austenita, de estrutura cúbica de face centrada (ferro γ) que, por sua vez, se transforma em ferrita (ferro α) a 910ºC. Finalmente, em uma temperatura abaixo de 766ºC (Ponto Curie), a ferrita torna-se um material ferromagnético, o que gerou a designação de α ferro não-magnético.

O diagrama Fe – C indica, em função da temperatura e da concentração de carbono, quais as fases (líquido, α, γ, gif;base64,R0lGODlhDgASAHcAMSH+GlNvZnR3Y , Fe3C) que se encontram em equilíbrio.

As transformações de fase, entretanto, passam-se a temperaturas alguns graus acima ou abaixo da condição de equilíbrio, devido ao efeito da chamada histerese térmica.

Esse desvio da temperatura de equilíbrio será tanto maior quanto for a variação da temperatura. Por exemplo, a transformação entre austenita e ferrita, para o ferro puro e em velocidades moderadas de aquecimento ou resfriamento, irá ocorrer a 915ºC ou 890ºC, respectivamente.

A estrutura cúbica de corpo centrado, embora menos compacta que a estrutura cúbica de face centrada, possui menor capacidade de dissolver o carbono, pois os seus interstícios na rede cristalina são menores. A austenita é capaz de dissolver até 2% de carbono (a 1130ºC), o que corresponde a uma composição em átomos de 8,7%.

Costuma-se utilizar o diagrama Fe-C na versão simplificada, exposta na Figura 7.1 mais à frente, e onde se considera que apenas a austenita seja capaz de dissolver o carbono, desprezando-se a sua solubilidade no ferro α, e não se considerando a reação peritética γ + L → α.

Tomando-se, por exemplo, um aço com 0,8% de carbono no estado líquido e, considerando-se o seu resfriamento, tem-se, aproximadamente, a 1480ºC, o início da solidificação, formando-se a austenita. Após o término da solidificação, a austenita, com 0,8% de carbono, é resfriada lentamente até 723ºC, quando ocorre a reação eutetoide γ gif;base64,R0lGODlhFAAOAHcAMSH+GlNvZnR3Y α + Fe3C, formando um constituinte denominado perlita, que é composto por lamelas de cementita intercaladas com lamelas de ferrita. Verifica-se, pelo diagrama, que o teor de cementita na perlita é de 12%. Como toda a austenita produz reação eutetoide, tem-se 100% de perlita. Este aço obtido é chamado de aço eutetoide. Os aços hipoeutetoides possuem teor de carbono inferior a 0,8% e os aços hipereutetoides, teor superior.

Ao se considerar o resfriamento lento de um aço com 0,4% de carbono, tem-se que a austenita, com 0,4% de C, ao ultrapassar a linha de temperatura crítica A3, indicada na Figura 5.1, penetra na chamada zona crítica que vai até a linha correspondente à temperatura de 723ºC. Neste intervalo de temperatura, dentro da zona crítica, a austenita vai se transformando em ferrita, com teor de carbono desprezível. Ao chegar a 723ºC, metade da austenita formou ferrita e a outra metade teve o teor de carbono aumentado de 0,4% para 0,8%. A austenita, com 0,8% C, na temperatura de 723ºC, sofre a reação eutetoide, formando perlita. A microestrutura deste aço (0,4%) irá apresentar 50% de ferrita e 50% de perlita.

Ao se considerar um aço hipereutetoide com aproximadamente 1,3% de C indicado na Figura 5.1, em resfriamento lento, tem-se que a austenita irá produzir cementita ao ultrapassar a linha de temperatura crítica Acm, diminuindo seu teor de carbono até 0,8% C, ao atingir 723ºC. Neste percurso será formado 5xiBLqPDGSXrQ1RbVVBeCpJMfAaZj2jxoTBYiHhR de cementita, restando 91,5% de austenita com 0,8% C, que irá formar perlita pela reação eutetoide. A microestrutura resultante será uma rede de cementita nos contornos dos “grãos” de perlita. A estimativa do teor de carbono nos aços hipereutetoides é mais difícil, face aos erros consequentes de pequenos desvios na avaliação da quantidade de cementita.

6.3. Lingotamento

Após o refino, o aço é colocado no estado líquido em uma panela e vazado em formas chamadas lingoteiras ou em instalações de lingotamento contínuo.

O lingotamento em lingoteiras pode ser direto ou indireto, como apresentado na Figura 6.6, dependendo do modo de introdução do aço nas lingoteiras, onde se solidifica.

Figura 6.6 – Produção de lingotes

Após o refino, o aço é colocado no estado líquido em uma caçamba (panela) e vazado em formas chamadas lingoteiras ou em instalações de lingotamento contínuo, conforme Figura 6.7. No lingotamento contínuo, o aço é colocado em molde vazado, resfriado a água, à medida que o aço segue nos roletes vai se solidificando. Este processo apresenta a vantagem de diminuir a demanda de laminação, pois sua seção reta é menor que a do lingotamento convencional. Isto eleva o rendimento, pois diminui a formação de carepa de laminação (óxidos formados durante a laminação a quente) e também reduz as perdas, já que as pontas dos lingotes convencionais são descartadas em função do rechupe de solidificação.

Figura 6.7 – Lingotamento Contínuo

6.4. Tratamento do Aço

Com o objetivo de se obter melhorias em algumas propriedades dos aços, podem ser realizados tratamentos especiais, denominados métodos de refino secundário ou metalurgia na caçamba. Alguns destes tratamentos são:

a)

Desoxidação

O oxigênio residual no aço líquido, após o refino, continua reagindo com o carbono durante o lingotamento, promovendo uma evolução intensa do gás monóxido de carbono (CO). O desprendimento gasoso motivou a denominação de aços efervescentes a estes aços.

A evolução gasosa, principalmente ao longo das paredes da lingoteira, provocou a renovação do líquido entre as dendritas que se formam na zona rim (Figura 6.8). Em consequência, os átomos segregados para a fase líquida, são removidos e a solidificação se completa com aço de relevada pureza na pele sólida e na zona rim. As bolhas tubulares da zona rim se formam quando a velocidade de desprendimento e flutuação das bolhas de gás é menor que a velocidade da solidificação.

Figura 6.8 – Formação de um lingote de aço efervescente.


Os átomos segregados se concentram no núcleo do lingote, especialmente o enxofre, que não participa de reações durante a solidificação. A grande segregação causa variações nas propriedades mecânicas, devido à heterogeneidade do material produzido.

O oxigênio pode ser removido através de técnicas como a adição de metais que possuem muito mais afinidade com o oxigênio do que este com o ferro; por exemplo, o alumínio, o silício ou o manganês. Estes metais são colocados no fundo da panela, antes do vazamento do aço, e/ou introduzidos na panela cheia do aço, como exemplificado pelos esquemas de desoxidação, apresentados na Figura 6.9.

O alumínio pode ser adicionado na forma de barras, grãos ou fios. Devido à reação do alumínio e/ou silício com o oxigênio, não há evolução de gás, o que motivou a denominação aços acalmados.

Figura 6.9 – Diferentes modos de adição do elemento desoxidante na panela do aço.

Os óxidos de alumínio e os silicatos formam inclusões que emergem na panela, antes do vazamento dos lingotes, possibilitando a obtenção de um aço com menor teor de inclusões. A agitação do aço líquido na panela, através de um agitador eletromagnético mecânico ou pela injeção de um gás inerte e a adição de cálcio (como CaSi ou CaAl), contribuem para a eliminação das inclusões no aço.

Na operação de lingotamento, verifica-se que a parte externa do lingote solidifica-se rapidamente. Como o volume do aço no estado líquido é maior que no estado sólido, tem-se a formação de cavidades na região da última porção do lingote a se solidificar. A formação destas cavidades, denominadas de rechupe ou vazios, encontra-se apresentada na Figura 6.10.

A região do lingote que contém o rechupe é cortada. Caso, neste corte, o rechupe ou os vazios não tenham sido totalmente eliminados, irão formar-se durante a laminação, defeitos chamados de dupla laminação, que consistem em interfaces paralelas à superfície da chapa, capazes de abrir em determinadas circunstâncias.

A dupla laminação pode ser detectada através de ensaio por ultrassom, o que pode ser exigido na aquisição do aço. O menor teor de inclusões e os elementos desoxidantes atuam no tamanho de grão do aço e na sua resistência ao impacto. Alguma adição de alumínio é realizada no aço efervescente para melhorar as características da pele do lingote. Os valores adicionados são insuficientes para a desoxidação, tal como realizada no aço acalmado. Os aços, parcialmente desoxidados, são denominados de semi-acalmados.

Figura 6.10 – Formação do rechupe em um lingote de aço acalmado. Após a solidificação, o massalote (contendo o rechupe) é cortado.

b)

Dessulfuração

As inclusões de sulfetos presentes no aço são alongadas durante a laminação e diminuem a resistência à tração na direção da espessura, tornando o aço mais susceptível à decoesão lamelar após a soldagem e também diminuindo sua resistência à fissuração induzida. O objetivo é a redução do teor de enxofre no aço e a modificação da forma dos sulfetos. A dessulfuração pode ser obtida pela adição de agentes dessulfurantes no gusa, durante o refino ou após o refino, conforme figura.

Figura 6.11 - Emprega-se nitrogênio (gás portador inerte) para injetar agentes dessulfurantes no ferro fundido e eliminar o enxofre do ferro. Isto é especialmente útil na produção de ferro fundido nodular.

Os agentes dessulfurantes são elementos puros ou suas ligas (Ca, Mg, terras raras, Ca-Si, Ca-Al, Mg-Al, CaC2), óxidos alcalinos terrosos puros ou em mistura com desoxidantes fortes (CaO, MgO, CaO + Al, CaO + Mg) ou escórias sintéticas contendo CaO. Deste modo, o enxofre forma compostos, sendo removido para a escória. Através da dessulfuração, pode-se, por exemplo, reduzir o teor de enxofre de um aço de 0,030% para 0,010%.

c)

Desgaseificação a Vácuo

Pela desgaseificação a vácuo, são reduzidos os teores de hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, carbono e enxofre no aço, melhorando sua conformabilidade e propriedades mecânicas. Um dos processos para a desgaseificação a vácuo é o processo RH esquematizado na Figura 6.12.

Neste processo, o aço circula da panela (pressão atmosférica = 760 torr) para a câmara de vácuo (0,1 torr), mediante a injeção de uma corrente de argônio, que diminui a densidade aparente do aço contido no tubo de subida. Os gases dissolvidos no aço são liberados na câmara de vácuo e o aço desgaseificado retorna à panela.

6.5. Conformação Mecânica

Os aços, como os metais em geral, são utilizados em equipamentos, após processos de conformação mecânica como os indicados na Figura 6.13. Em temperaturas acima da chamada temperatura de recristalização, a difusão é intensa e ocorre um arranjo dos átomos, eliminando discordância e outras imperfeições e promovendo um amolecimento do material, como indicado na Figura 6.14.

A Figura 6.15 apresenta a temperatura de recristalização para diversos metais puros, onde se obtém 100% de recristalização para os metais submetidos à máxima deformação plástica possível, após uma hora de tratamento térmico.

Os processos usuais de conformação, como a laminação, produzem deformação plástica em período de tempo da ordem de fração de segundo. Realiza-se o trabalho em temperaturas acima da temperatura de recristalização, indicada na Figura 6.15. Produtos oriundos: chapas grossas de aço C; chapas médias e finas laminadas a quente e a frio sob forma de bobinas (aço C, inoxidáveis, alumínio e cobre); perfis de aço e alumínio, vergalhões de aço C, etc.

Fundição: O metal ou liga em estado líquido, portanto a uma temperatura que assegure a fusão, é vazado em um molde com as dimensões desejadas. Usado em peças pesadas e de geometria complexa e difícil aplicação por outro método de fabricação. Porém, a estrutura é frágil, de granulação grosseira (dendrítica) e acabamento rústico. Exemplo: bases de equipamentos, conexões de tubulões, etc.

Forjamento: O material é aquecido, tornando-se plástico e conformado em forma com o perfil e dimensões desejadas da peça. Exemplo: acessórios de tubulação, ferramentas, etc.

Trefilação: Obtêm-se arames e fios de aço a partir da tração do fio-máquina passando por uma matriz.

Extrusão: A barra metálica é empurrada por compressão contra uma matriz com o perfil desejado para a peça a se fabricar, pode ocorrer a frio ou a quente. Exemplo: tubos sem costura.

Estampagem: Processo de deformação plástica para a produção de peças a partir de chapas de espessura média e fina, conformadas sobre matriz com formato desejado: indústria automobilística.

Embutimento: Processo de grande deformação plástica para produzir peças a partir de materiais de alta ductilidade. Ex: cartuchos de munição, latas de alumínio.

A Figura 6.16 apresenta um exemplo da relação entre a fração do material, que se recristaliza em função do tempo, para o tratamento em uma dada temperatura.

Quando os processos de conformação são realizados acima da temperatura de recristalização, os mecanismos de amolecimento predominam sobre os de encruamento. Nestas condições, a deformação é dita a quente e o esforço para produzir mais deformação é, essencialmente, constante.

Laminação | Extrusão

Trefilação | Embutimento Profundo

Estiramento | Dobramento | Cisalhamento.

6.6.2. Efeito dos Elementos nas Propriedades dos Aços

A seguir, encontram-se comentários parciais sobre o efeito de diversos elementos nos aços, com o objetivo de dar uma visão preliminar. Outros efeitos serão abordados ao se tratar de assuntos específicos como, por exemplo, a temperabilidade e o mecanismo de aumento da resistência mecânica.

a)

Carbono

O carbono é o elemento que, em liga com o ferro, constitui os aços, contribuindo para o aumento da resistência mecânica.

Nos aços recozidos hipoeutetoides, onde a microestrutura é formada por ferrita e perlita, tem-se que, quanto maior a quantidade de perlita, maiores a resistência à tração e ao limite de escoamento e menores a tenacidade, o alongamento e a redução de área, como indicado na Figura 6.17.

O aumento do teor de carbono aumenta a dureza também no caso dos aços temperados ou com precipitação de carbonetos. Aços com teores de carbono elevados apresentam menor soldabilidade, adotando-se limites práticos para este elemento em função da aplicação.

7. Ferros Fundidos

7.1. Classificação dos Ferros Fundidos

Os Ferros Fundidos (FoFo's) são ligas Fe – C – Si obtidas pelo processo de fusão, onde o teor de carbono é superior a 2%. Tipicamente, o teor de carbono situa-se entre 2% a 4,3% e o teor de silício entre 0,4% a 3,5%. Manganês, fósforo e enxofre, geralmente, encontram-se presentes em teores acima dos admissíveis nos aços.

Os ferros fundidos são produzidos pela refusão do ferro gusa com sucata de aço ou ferro fundido. Como a temperatura de fusão dos ferros fundidos é bem menor que a dos aços, os equipamentos utilizados são simples, reduzindo o custo e tornando os ferros fundidos, de um modo geral, mais baratos que os aços.

Aplicado como duto para escoar água salgada, serviços de baixa pressão e esgoto.

O carbono nos ferros fundidos pode estar na forma combinada, como cementita ou outros carbonetos metálicos, ou na forma de grafita.

Em função dessas situações, os ferros fundidos podem ser classificados em:

a)

Ferros Fundidos Brancos – Todo o carbono encontra-se na forma combinada e o estudo das transformações de fase pode ser feito conforme o diagrama Fe – C metaestável, apresentado na Figura 7.1, levando-se em conta as modificações decorrentes da presença de outros elementos.

b)

Ferros Fundidos Cinzentos – Na solidificação, forma-se austenita e grafita, como previsto pelo diagrama Fe – C estável, apresentado na Figura 7.1. Com o resfriamento ocorre, também, a formação de cementita, conforme o diagrama metaestável e/ou uma quantidade adicional de grafita. Nestes ferros fundidos, tem-se que o carbono total estará parte na forma de carbono livre ou grafita e parte na forma de cementita, de outros carbonetos ou, ainda, em solução sólida.

A denominação branco ou cinzento baseia-se no aspecto da fratura dos ferros fundidos, clara e esbranquiçada nos brancos e escura nos cinzentos.

c)

Ferros Fundidos Mesclados – Constituem uma transição entre os ferros fundidos brancos e os cinzentos, possuindo pequenas regiões brancas mescladas com pequenas regiões cinzentas.

d)

Ferros Fundidos Nodulares – A grafita encontra-se na forma de nódulos em vez de na forma de flocos, como acontece nos ferros fundidos cinzentos.

e)

Ferros Fundidos Maleáveis – São obtidos a partir do ferro fundido branco, tratado termicamente de modo a decompor a cementita em grafita na forma de nódulos (ferro fundido maleável de núcleo preto) ou de modo a sofrer descarbonetação, pela reação do carbono com o oxigênio.

A descarbonetação ocorre a partir da superfície, podendo estender-se a toda peça, se a espessura for pequena. A região central não descarbonetada possui a grafita na forma de nódulos.

Nesse caso, a fratura é clara no centro da peça, originando a denominação ferro fundido maleável de núcleo branco.

A produção do ferro fundido nodular no estágio de solidificação tornou menos utilizado o tratamento térmico de maleabilização, que é prolongado (alguns dias) e, consequentemente, de elevado custo.

f)

Ferros Fundidos Ligados – São ferros fundidos com adições de elementos para a obtenção de propriedades especiais como maior resistência mecânica à corrosão ou à oxidação, em temperaturas elevadas.

Como exemplos, têm-se os ferros fundidos ligados com até 16% de silício e os ligados com níquel até 30%, podendo conter ainda cromo e cobre. Devido aos elementos de liga, estes ferros fundidos são de custo elevado.

7.6. Aços Carbono

Entidades Normalizadoras: AISI/SAE ou ASTM

7.6.1. Baixo Carbono

  • Excelente ductilidade, tenacidade, conformabilidade, soldabilidade, baixa resistência mecânica e temperabilidade.
  • Aplicado em componentes de carcaças de automóveis, elementos estruturais, chapas em tubulações, edificações, pontes e latas estanhadas.

7.6.2. Médio Carbono

  • Média conformabilidade, soldabilidade e temperabilidade.
  • Aplicado em rodas e trilhos de trens, engrenagens, virabrequins e outras peças de máquinas e componentes estruturais de alta resistência.

7.6.3. Alto Carbono

  • Duros, mais resistentes, menos dúcteis, resistentes ao desgaste e à abrasão, má conformabilidade e soldabilidade.
  • Aplicado em talhadeiras, folhas de serrote, martelos e facas.

7.8. Aços Inoxidáveis

Entidade Normalizadora: AISI

7.8.1. Martensíticos (Série 400)

  • Boa temperabilidade, alta dureza e resistência à corrosão.
  • Aplicado em pás de turbinas, componentes de compressores, eixos e rotores de bombas, haste de válvulas, parafusos e porcas, cutelaria, instrumentos cirúrgicos, mancais e molas.

7.8.2. Ferríticos (Série 400)

  • Fácil conformação, boa resistência à corrosão até uma temperatura da ordem de 1150ºC, resistência mecânica relativamente baixa, não podem ser tratados termicamente.
  • Aplicado em equipamentos para a indústria química, restaurantes e cozinhas, componentes de fornos, queimadores, radiadores, equipamentos arquitetônicos ou decorativos.

7.8.3. Austeníticos (Série 300)

  • Boa resistência à corrosão, não são magnéticos e não são endurecíveis por tratamento térmico, alto teor de cromo.
  • Aplicado em peças decorativas, utensílios domésticos, componentes estruturais, indústria química, naval, alimentícia e de papel, peças de estufas e fornos.

7.8.4. Aços Duplex, Superduplex e Hyperduplex

  • AID – Série 2304 e 2205
  • AISD – Série UR 52 N+, DP 3W, 2507 e Zeron 100.
  • AIHD - Série S 32707 e S 33207
  • Altos valores de resistência mecânica, elevada tenacidade ao impacto e excelente resistência à corrosão. Quando adicionado, o nitrogênio aumenta consideravelmente a resistência à corrosão, mecânica e soldabilidade.
  • Aplicado em componentes para a indústria química, petroquímica e petróleo offshore.

7.9. Aços para Fundição

Entidades Normalizadoras: AISI/SAE ou ASTM

Características Gerais

  • Boa resistência mecânica, ductilidade, tenacidade, usinabilidade, soldabilidade, boa fluidez. Sujeito a têmpera e revenido.

7.9.1. Baixo Carbono

  • Aplicado em equipamentos elétricos e engrenagens.

7.9.2. Médio Carbono

  • Aplicado na indústria automobilística, ferroviária e naval.

7.9.3. Alto Carbono

  • Aplicado em matrizes, cilindros de laminadores e componentes de máquinas.

7.9.4. Aço-Liga (Baixo Teor)

  • Aplicado em componentes estruturais, fornos e caldeiras.

7.9.5. Aço-Liga (Alto Teor)

  • Aplicado em setores que exijam alta resistência mecânica e à corrosão.

9.5. Recozimento

9.5.1. Recozimento Pleno

O recozimento pleno ou, simplesmente, recozimento, consiste no aquecimento a cerca de 30ºC acima da zona crítica (acima da linha A3) para os aços hipoeutetoides, faixa 4, na Figura 8.18, ou acima do patamar eutetoide (acima de A1) para os aços hipereutetoides, durante o tempo necessário para uma completa austenitização, seguida de um resfriamento lento.

O tempo de permanência na temperatura de aquecimento depende do aço tratado e do tamanho da peça. Como regra geral, recomenda-se 20 minutos de permanência por centímetro de espessura da peça. Este tempo poderá ser prolongado caso a peça seja de grandes dimensões. Caso a atmosfera do forno seja oxidante, poderá haver uma reação com o carbono do aço, implicando em uma descarbonetação superficial, cujo inconveniente principal é a diminuição da dureza e da resistência à tração na superfície da peça.

Para prevenir a descarbonetação, o recozimento pode ser conduzido com a peça dentro de uma caixa e envolta em carvão de coque ou em cavacos de ferro fundido.

O resfriamento, usualmente, é feito no forno, com a diminuição da temperatura de 20ºC a 30ºC por hora, até alcançar 300ºC a 500ºC, quando o resfriamento pode passar a ser feito ao ar.

Com o recozimento pleno, obtém-se para os aços hipoeutetoides uma estrutura constituída de ferrita e perlita grosseira.

O recozimento pleno é usado para regenerar a estrutura, de modo a diminuir a dureza, aumentar a ductilidade, aliviar tensões internas causadas por tratamento anterior e refinar o grão.

9.5.2. Esferoidização ou Recozimento Globular

Para os aços de baixo e médio carbono, a estrutura ideal do ponto de vista de usinabilidade é a perlita grosseira obtida pelo recozimento pleno. Para aços de alto carbono é preferível a estrutura “esferoidita”, onde os carbonetos encontram-se na forma de glóbulos, como visto na Figura 8.20.

Esta estrutura é conseguida pela solubilização dos carbonetos (austenitização, seguida pela manutenção da temperatura logo abaixo da linha A1).

Nos aços hipereutetoides com percentual de C maior que 2,0%, o aquecimento deve ser acima da temperatura A1 de maneira a esferoidizar a cementita, que se encontra entre os grãos, em um tempo relativamente curto.

A cementita pode, também, se decompor formando ferrita e grafita. Este fenômeno, chamado grafitização, pode ocorrer em equipamentos de aço-carbono desoxidado com alumínio durante vários anos de operação acima de 450ºC.

9.5.3. Recozimento para Alívio de Tensões

É o aquecimento abaixo da zona crítica (subcrítico), durante o tempo necessário para reduzir a dureza e aliviar as tensões, seguido de um resfriamento qualquer. Este tratamento é empregado para aliviar as tensões residuais da solidificação (fundição ou soldagem) ou para eliminar o encruamento em peças deformadas a frio, possibilitando realizar deformações adicionais (Figura).

As discordâncias, nucleadas e multiplicadas pela deformação plástica, rearranjam-se pelo aquecimento acima da temperatura de recristalização.

Na temperatura elevada, as discordâncias movimentam-se com mais facilidade, possibilitando a ocorrência de deformações plásticas, localizadas onde as tensões residuais são mais altas. A tensão residual torna-se, então, reduzida a um valor próximo ao limite de escoamento do material na temperatura do tratamento.

Com o progressivo aumento no número de discordâncias no arranjo, este se transforma em contorno de grão, separando cristais com orientação diferente.

Além da recristalização e da redução das tensões residuais, outros efeitos metalúrgicos acontecem, como o revenido e a fragilização pelo revenido (assuntos a serem abordados no item 9.6), a liberação de hidrogênio dissolvido no metal, a possibilidade de transformar a austenita retida pela permanência maior na temperatura elevada e a remoção do envelhecimento induzido por deformação, através da precipitação do nitrogênio como nitretos.

Carbonitretos de nióbio e vanádio dissolvidos pela soldagem podem reprecipitar durante o tratamento térmico de alívio de tensões. Caso a precipitação reduza muito a ductilidade, haverá o risco de ocorrer trincas, devido ao tratamento térmico.

O recozimento para alívio de tensões depende da temperatura, do tempo e do material utilizados para a obtenção das propriedades desejadas.

As propriedades obtidas no material, através da realização do tratamento de recozimento para alívio de tensões, dependem do material em si e da temperatura e tempo utilizado.

Os códigos de projeto estabelecem os valores a ser seguidos na fabricação de vasos de pressão.

9.5.4. Normalização

A normalização consiste no aquecimento acima da zona crítica (acima da linha A3 ou da linha Acm) durante um determinado tempo para completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento ao ar tranquilo.

Com a normalização, obtém-se um refino da granulação grosseira da perlita ou torna-se a cementita mais esferoidizada, de peças fundidas ou forjadas e maior homogeneidade da composição química, pela diminuição da segregação através de difusão. Peças fundidas de aço carbono ou baixa liga devem sempre ser normalizadas, tornando-as mais tenazes.

A normalização é também usada para dar maior uniformidade à estrutura das peças que serão submetidas ao tratamento de têmpera e revenido.

A normalização, por si só, aumenta um pouco a dureza e a resistência mecânica do aço. Como, na normalização, o resfriamento é mais rápido que no recozimento pleno, tem-se, além de menor tamanho de grão, uma menor separação de ferrita pro-eutetoide. Isto causa a diminuição do teor de carbono na perlita formada, o que aumenta sua quantidade relativa à ferrita, comparando-se com a proporção prevista pelo diagrama Fe – C.

Além disso, as lamelas da perlita estão mais próximas, tendo-se a perlita fina.

O resultado da normalização depende do tamanho ou espessura, que são fatores na velocidade de resfriamento ao ar. Por este motivo, após a laminação a quente e resfriamento ao ar, observa-se que chapas mais finas possuem resistência mecânica superior a chapas mais grossas com a mesma composição química.

Em alguns casos, pode ser especificada uma dupla normalização. A primeira, realizada entre 50ºC a 100ºC acima da temperatura normalmente empregada, tem por objetivo obter uma dissolução mais completa dos constituintes e maior homogeneidade de composição química. A segunda normalização tem como objetivo exclusivo o refino do grão, sendo feita na temperatura de austenitização mais baixa possível.

De um modo geral, aços com tamanho de grão menor apresentam menor temperatura de transição no ensaio de impacto, sendo mais apropriados para serviço em baixas temperaturas que os aços de granulação grosseira.

Por outro lado, os aços de granulação grosseira apresentam maior resistência à fluência, o que os torna mais adequados para serviços em temperaturas elevadas.

9.6. Têmpera e Revenido

9.6.1. Têmpera e Temperabilidade

A têmpera consiste no aquecimento acima da zona crítica durante o tempo necessário para uma completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento rápido. Seu objetivo é aumentar a dureza do aço e, em consequência, sua resistência mecânica (Figura 8.23).

9.6.2. Revenido

É raro o emprego dos aços na condição como temperado.

Após a têmpera, é, geralmente, realizado o tratamento térmico de revenido, com o objetivo de aliviar as tensões internas na peça temperada e de aumentar a tenacidade e a ductilidade, que são drasticamente reduzidas pela têmpera. Com o revenido, ocorre, também, uma diminuição da dureza.

O revenido é o reaquecimento do aço temperado a uma temperatura abaixo do A1, durante um tempo, para a obtenção das propriedades desejadas, seguido de um resfriamento qualquer, geralmente lento.

A Figura 8.31 ilustra o compromisso alcançado entre as resistências mecânicas e a ductilidade, que se obtém através do revenido.

O tratamento térmico de têmpera e revenido de uma peça, possibilita alguma deformação nos locais mecanicamente mais solicitados nas condições de serviço. Deste modo, pode haver uma redistribuição das tensões atuantes, impedindo que seu valor suba até provocar trincas. Esta capacidade de apresentar um certo alongamento é obtida conseguindo-se manter os limites de escoamento e de resistência em níveis relativamente altos.

A variável mais importante no revenido é a temperatura de aquecimento, seguida pelo tempo de permanência nesta temperatura.

9.7.2. Martêmpera

A martêmpera, também chamada têmpera interrompida, visa diminuir as deformações pelas tensões, devidas ao resfriamento rápido, e é constituída pelas seguintes etapas, como esquematizado na Figura 8.39:

  1. Aquecimento acima da zona crítica durante um tempo para completa homogeneização da austenita;
  2. Resfriamento rápido até uma temperatura pouco acima do Mi (geralmente em banho de óleo quente ou sal fundido);
  3. Permanência neste banho por tempo suficiente para homogeneizar a temperatura na peça;
  4. Resfriamento qualquer (geralmente ao ar) através da faixa entre Mi e Mf.

O aço deve possuir elementos de liga para que se forme martensita, mesmo com o resfriamento lento que ocorre neste tratamento.

Após a martêmpera, deve ser realizado o tratamento de revenido, dispensável no caso da austêmpera.

9.8.2. Tratamentos Termoquímicos

Nos tratamentos termoquímicos, objetiva-se o aumento da dureza superficial e resiliência através da difusão de elementos no estado sólido como o carbono, o nitrogênio ou, ainda, o boro. Isto é conseguido, colocando-se a peça em um meio adequado, que pode ser sólido, líquido ou gasoso.

Exemplo: eixos e rolamentos.

Os principais tratamentos termoquímicos são:

  1. Cementação

É o tratamento pelo qual o carbono ou nitrogênio é difundido do meio ambiente para a peça, através da sua superfície externa (Figura).

Aços com baixo teor de carbono adquirem uma camada superficial com alto teor de carbono, usualmente endurecida por um tratamento térmico posterior.

A espessura da camada cementada depende do tempo e da temperatura de tratamento (Figura 8.44).

A cementação sólida é feita em caixas de aço onde são colocadas as peças a serem cementadas envoltas por um meio carburante sólido como, por exemplo, carvão vegetal, e por ativadores, como os carbonatos de bário, cálcio ou sódio.

As caixas são vedadas e colocadas no forno. O ar contido reage com o carvão, formando CO. A ocorrência da reação 2 CO → CO2 + C na superfície da peça austenitizada possibilita a difusão do carbono para o seu interior.

A cementação líquida é feita em banhos de sal, contendo cianeto de sódio de potássio; e a gasosa é feita mantendo-se no forno uma atmosfera carburizante.

Após a cementação, a peça é tratada termicamente por têmpera e revenido para refinar o grão e conseguir as propriedades desejadas.

Tipos de tratamentos térmicos realizados após cementação:

  • (a) Têmpera direta e revenido;
  • (b) Resfriamento lento seguido de têmpera da camada cementada e revenido;
  • (c) Resfriamento lento seguido de têmpera do núcleo e camada cementada e revenido;
  • (d) Resfriamento lento seguido de dupla têmpera e revenido (usado em peças de responsabilidade);
  • (e) Tratamento isotérmico.

b) Nitretação

É a difusão de nitrogênio do ambiente para a peça, obtendo-se uma superfície dura, resistente ao desgaste e com maior resistência à corrosão. A espessura da camada nitretada é pequena, da ordem de décimos de milímetro.

A nitretação é realizada na faixa de 500ºC a 600ºC, havendo a difusão do nitrogênio pela ferrita.

A fonte de nitrogênio na nitretação a gás é a amônia, que se decompõe em hidrogênio molecular e nitrogênio atômico. Este se difunde através do aço como indicado na Figura 8.47. Os tempos de tratamento são longos, variando de 12 a 120 horas.

Na nitretação líquida, o meio fornecedor de nitrogênio é um banho de sais fundidos, contendo, principalmente, NaCN e KCN (cianetos de sódio e de potássio) com adições de Na2CO3 (carbonato de sódio) e NaCNO (cianato de sódio).

A nitretação líquida é conseguida em períodos de 1 a 4 horas, mais rápida, portanto, que a nitretação a gás.

Aços contendo elementos formadores de nitretos como alumínio, cromo e molibdênio favorecem a obtenção de alta dureza superficial na nitretação.

A nitretação é facilitada, também, pela maior presença de ferrita na microestrutura e pelo menor teor de carbono.

Antes da nitretação, o aço deve ser temperado e revenido. Além disso, a superfície pode, também, ser cementada.

c) Cianetação

Consiste na difusão simultânea do carbono e do nitrogênio pela imersão em um banho de cianetos em temperaturas da ordem de 750ºC a 900ºC, tendo-se portanto, a presença da austenita.

O tempo de permanência é, geralmente, de 15 a 90 minutos e a espessura da camada, normalmente, inferior a 0,3 mm.

A cianetação é chamada também de carbonitretação líquida.

d) Carbonitretação

Consiste na difusão simultânea do carbono e nitrogênio em peças tratadas em uma atmosfera carburizante, contendo cerca de 3% a 8% e em temperaturas de ordem de 800ºC a 900ºC.

e) Boretação

Na boretação, tem-se a introdução de boro a partir do carboneto de boro (B4C) no estado sólido, em temperaturas de 800ºC a 1050ºC.

O boreto de ferro formado na superfície do aço resulta em uma dureza elevada.

Tópicos de Revisão

  • O número de átomos por célula unitária e o número de vizinhos mais próximos na estrutura CCC são 2 e 8.
  • A difusão atômica intersticial ocorre mais facilmente que a substitucional.
  • Imperfeições nas estruturas cristalinas (defeitos pontuais) são as lacunas.
  • Considere o diagrama Fe-C. Um aço com 1,4% de carbono resfriado lentamente apresenta na temperatura ambiente perlita e cementita.
  • Dentre os aços AISI 1010, 1040, 1060 e 4340, o com maior temperabilidade é o AISI 4340.
  • O principal objetivo do tratamento térmico de normalização é conferir ao aço granulação fina e homogênea.
  • O recozimento pleno é o tratamento térmico aplicado aos aços carbono cujo resfriamento, após a austenitização, é realizado lentamente, em geral no próprio forno.
  • O conjunto de tratamento térmico que tem como objetivo aumentar a resistência mecânica do aço e garantir um ganho na tenacidade elevada é formado por têmpera e revenido.
  • Corrosão sob tensão: Os aços inoxidáveis austeníticos são vulneráveis a este fenômeno quando em presença simultânea de tensões residuais e meios agressivos como aqueles contendo cloretos.
  • O tratamento de têmpera dos aços alto carbono dá origem à martensita, estrutura muito dura e frágil.
  • O revenido em temperaturas elevadas (cerca de 600ºC) provoca melhores resultados em termos de alívio de tensões e melhoria da tenacidade dos aços, com uma significativa diminuição da dureza.
  • Principais tipos de aços inoxidáveis: austeníticos, martensíticos, ferríticos e duplex.
  • O tratamento térmico de alívio de tensões consiste em aquecer uniformemente a peça, de maneira que o limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores às tensões residuais.
  • O refino de grãos de ligas metálicas possibilita conciliar resistência mecânica e tenacidade.
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