Microestrutura e Tratamentos Térmicos de Aços

Microestrutura dos aços

Perlita

Perlita: constituída pelo eutetoide de ferrita e cementita em lâminas alternadas. O resfriamento determina a velocidade da separação intralaminar, originando perlita fina ou perlita grossa.

Bainita

Bainita: mistura de agulhas de ferrita com precipitação de cementita, sem a lamelação característica da perlita. Forma‑se para velocidades de resfriamento maiores que as da perlita. Devido à difusão limitada, resulta em ferrita supersaturada com precipitados de cementita, conferindo combinação de dureza e tenacidade. Existem dois tipos: bainita superior e bainita inferior.

Martensita

Martensita: solução sólida supersaturada de carbono na ferrita alfa, obtida por têmpera (resfriamento muito rápido). Apresenta estrutura cristalina tetragonal (martensita) e, por ser uma transformação sem difusão, resulta em elevada dureza com perda de tenacidade.

Diagramas TTT/CCT e influência de elementos de liga

Os diagramas TTT e CCT mostram as faixas de transformação para perlita, bainita e martensita e variam com a composição e a estabilidade da austenita. Elementos de liga influenciam as temperaturas críticas (A1, A3, Acm) e deslocam as curvas de transformação: por exemplo, Mn e C tendem a acelerar/antecipar transformações; Cr, Mo e W retardam transformações e favorecem a formação de carbetos. Outros elementos (Al, Si, Ti, V, Ni) também afetam nucleação, estabilidade da austenita e precipitação.

Efeito do tamanho de grão

Grãos maiores tendem a retardar as transformações e podem aumentar a temperatura de austenitização necessária; grãos finos favorecem homogeneidade da austenita e transformações mais rápidas.

Recozimento, homogeneização e recristalização

Recozimento (RCOC)

Recozimento: tratamento cujo objetivo é amolecer o aço, aliviar tensões internas e regenerar a microestrutura. Consiste em aquecimento à temperatura adequada seguido de resfriamento controlado (normalmente lento), conforme o tipo de recozimento desejado.

Homogeneização

Homogeneização: busca uniformizar a composição química do material, reduzindo segregações originadas na solidificação. Realiza‑se a altas temperaturas por tempo suficiente para permitir a difusão; atenção ao crescimento de grão se o tempo for excessivo.

Recristalização / Regeneração

Recristalização: regenera a estrutura após deformação plástica, reduzindo defeitos e tensões internas. Normalmente executa‑se aquecendo a temperaturas acima do crítico (por exemplo ~50 °C acima de certas temperaturas de transformação), o que elimina tensões e restaura ductilidade. Avaliar o tipo de aço, pois nem sempre é indicada para todos os graus (ex.: certos aços hipereutetóides exigem cuidado).

Isotermização e esferoidização

Isotérmico: realização de transformações sob temperatura constante para controlar a formação de fases (transformações parciais ou completas).

Esferoidização (globularização): processo para transformar cementita lamelar em partículas esferoidais, melhorando usinabilidade e ductilidade. Aplicável principalmente a aços hipereutetóides. Métodos típicos: (1) ciclos de aquecimento e resfriamento próximos à temperatura A1; (2) aquecimento acima de A1 e manutenção por tempo prolongado seguido de resfriamento lento.

Normalização e seus efeitos

Normalização: aquecimento à temperatura de austenitização seguido de resfriamento ao ar, com objetivos de refinar grão, homogêneo da microestrutura e reduzir tensões. É um passo preparatório comum antes de tratamentos subsequentes.

Têmpera e revenido

A têmpera tem por objetivo obter martensita através da austenitização seguida de resfriamento rápido. Quanto maior a fração de martensita formada, maior será a dureza final.

Revenido

Revenido: tratamento térmico realizado após a têmpera cujo objetivo é reduzir tensões, diminuir dureza excessiva e recuperar tenacidade. O revenido atua sobre a martensita tetragonal em estágios dependentes da temperatura:

• Estágio I (< 200 °C): precipitação inicial de carbonetos de transição (ex.: carboneto épsilon) e relaxação parcial da martensita.
• Estágio II (~200 °C): transformação parcial de austenita retida e ocorrência de fenômenos de revenido secundário que alteram propriedades mecânicas.
• Estágio III (> 200 °C): formação de cementita e evolução para estruturas mais estáveis, resultando em menor resistência e maior ductilidade.

Objetivo: obtenção de martensita

Para obter martensita é necessária a austenitização adequada (temperatura e tempo) seguida de resfriamento controlado (têmpera). A austenitização total ou parcial depende do teor de carbono e do tipo de aço, determinando a microestrutura final (ferrita, perlita, bainita, martensita, etc.).

Gradientes de propriedades na peça

Durante a têmpera, a superfície esfria mais rapidamente que o núcleo, formando uma camada superficial dura e geralmente mais frágil (maior fração de martensita) sobre um núcleo mais dúctil. O controle do aquecimento, do tempo de austenitização e da velocidade de resfriamento define a profundidade de têmpera e a dureza necessária.

Fatores críticos e curvas de transformação

Fatores como tamanho de grão, velocidade de resfriamento e as curvas TTT/CCT são determinantes nas transformações de fase. Elementos de liga deslocam as curvas: retardantes (ex.: Cr, Mo, W) deslocam para a direita; aceleradores (ex.: C, Mn) deslocam para a esquerda. A dureza resultante depende da interação entre composição química, microestrutura e ciclo térmico aplicado.

Modos de têmpera isotérmica

• Martempering (marquenquido): resfriamento homogêneo até uma temperatura acima de Ms, manutenção até redução de tensões e posterior resfriamento ao ar até temperatura ambiente; reduz distorções e risco de fissuras.
• Austempering: manutenção isotérmica para formação de bainita em vez de martensita, proporcionando boa combinação de dureza e tenacidade.
• Misto isotérmico: combina transformações para gerar misturas de bainita e martensita, não necessariamente resultando em transformação completa.

Tratamentos superficiais e termoquímicos

Tratamento superficial: destinado a aumentar dureza e resistência ao desgaste da superfície mantendo o núcleo tenaz e plástico. Muito usado em eixos e componentes sujeitos a desgaste.

Tratamentos termoquímicos

Tratamentos termoquímicos alteram a composição química superficial por difusão de elementos (C, N, B, S, etc.). São processos mais complexos e, geralmente, mais caros, mas muito eficazes para obter alta dureza superficial com núcleo resistente.

Cementação (carburação)

Cementação: difusão de carbono na superfície de aços de baixo carbono. A superfície fica enriquecida em carbono e, após têmpera e revenido, obtém‑se uma camada dura e resistente ao desgaste, enquanto o núcleo permanece com baixo teor de carbono (ferrita + perlita). Evita‑se teor de carbono excessivo na camada (tipicamente não ultrapassar ~0,9%) para não causar fragilidade. Aços recomendados: baixos em carbono ou liga reduzida; elementos como Cr e Mo ajudam a controlar a formação de carbonetos, enquanto Ni e Mn auxiliam a austenitização e a têmpera.

Nitretação

Nitretação: introdução de nitrogênio na superfície (processos gasosos, iônicos/plasma ou líquidos) para formação de nitretos com elementos de liga (Al, Cr, Mo, V...). Normalmente realizada entre ~500–600 °C para evitar crescimento de grão. Produz uma camada superficial muito dura e fina, mantendo um núcleo tenaz; é essencial controlar impurezas e parâmetros para evitar fragilidade ou descamação da camada.