Os tratamentos térmicos são processos fundamentais na metalurgia, utilizados para alterar as propriedades mecânicas e físicas dos metais. Esses processos envolvem o aquecimento e resfriamento controlados dos materiais, com o objetivo de otimizar a microestrutura do material. Abaixo, detalhamos os principais conceitos e princípios relacionados a tratamentos térmicos.
Existem diversos tratamentos térmicos aplicados aos aços, influenciados por:
Ao aquecer o material, podem ocorrer três processos típicos nos materiais: recuperação, recristalização e crescimento de grão. Essas mudanças nos metais são afetadas pela temperatura e pela alteração da estrutura cristalina durante o aquecimento.
Ao aquecer o metal na fase austenítica, levemente acima de A1, o metal tende a gerar recuperação de grão e recristalização. Devido à baixa solubilidade da austenita a essa temperatura, os carbonetos formados tendem a permanecer ou aumentar. Em temperaturas maiores, próximas à maior solubilidade da austenita, os carbonetos tendem a se dissolver, homogeneizando a austenita e fazendo com que os grãos coalesçam em grãos maiores. Esses detalhes são importantes para a compreensão dos tratamentos de recozimento e normalização.
A temperatura e o tempo de permanência em uma determinada temperatura também afetam diretamente o processo.
Os elementos de liga formadores de precipitados desempenham um papel crucial na metalurgia, melhorando as propriedades mecânicas e físicas dos metais por meio da formação de partículas finas distribuídas na matriz do material. Esses precipitados podem ser formados durante os tratamentos térmicos dos aços, ligas e não metais.
Embora os precipitados tendam a aumentar a resistência da liga, isso deve ser avaliado corretamente, pois o tipo de interface formada no precipitado pode diminuir a dureza. Geralmente, precipitados que formam uma interface coerente com a matriz promovem forças de tração ou compressão interna, aumentando a discordância cristalina, o que favorece o endurecimento por precipitação.
Os elementos que formam carbonetos são adicionados às ligas metálicas para aumentar a dureza e a resistência ao desgaste. Carbonetos são compostos duros que se formam quando elementos de liga reagem com carbono. Os principais formadores de carbonetos incluem Cr, Mo, W, V, Ti, Ta e Nb. Alguns formam carbonetos a temperaturas de 500-600 graus, enquanto outros se formam acima de 600 graus.
Os compostos intermetálicos são formados por elementos de liga que reagem entre si ou com outros metais, resultando em compostos com propriedades distintas das fases metálicas individuais. Esses compostos são utilizados para melhorar a resistência à tração, dureza e estabilidade térmica, como Ni, Al, Co e Ti (exemplos: Ni₃Al, Co₃Al, Ni₃Ti).
Outros elementos são utilizados para criar precipitados finos e dispersos que melhoram as propriedades mecânicas do material. Após a solubilização, os elementos de liga se dissolvem na matriz e, durante o envelhecimento, precipitam-se de maneira controlada, formando partículas que impedem o movimento de discordâncias e aumentam a resistência do material, como Cu, Ni, Ti, Al, Si e Mg.
Um diagrama de fases é um “mapa” que mostra quais fases são as mais estáveis em diferentes composições, temperaturas e pressões.
Quando um aço é resfriado lentamente a partir do campo austenítico até a temperatura ambiente, ele apresenta uma ou mais fases: ferrita, cementita ou um constituinte chamado perlita, dependendo do teor de carbono. No entanto, se o resfriamento for rápido a partir da região austenítica, poderão aparecer outros constituintes metaestáveis, como bainita e martensita, que são gerados em baixas velocidades de difusão ou sem que ocorra difusão atômica, ocorrendo por cisalhamento.
Para compreender a formação desses constituintes de fases, é necessário entender as curvas TTT (Temperatura, Tempo e Transformação) e TRC (Temperatura de Resfriamento Contínuo).
A ferrita se transforma por difusão a partir da austenita. Em velocidades lentas, ela apresenta aparência equiaxial; em velocidades maiores de resfriamento, pode se apresentar como finas agulhas (ferrita acicular). O aumento da taxa de resfriamento produz uma ferrita em ripas ou alongada que nucleia no interior ou no contorno de grão, denominada ferrita de Widmanstätten.
No diagrama ferro-cementita metaestável, o ponto eutetóide é responsável pela transformação da austenita em perlita no equilíbrio. Em tratamentos térmicos, ao resfriar fora do equilíbrio, promovemos a formação de martensita a partir da ferrita supersaturada. O estudo da regra da alavanca é importante para compreender a porcentagem de martensita formada a partir da perlita em um caso ideal.
A regra da alavanca é uma ferramenta utilizada para determinar as frações relativas de dois constituintes em uma liga, com base na composição química dos elementos. Essa regra é especialmente útil em diagramas de fases, onde as porcentagens de elementos de liga podem influenciar significativamente as características do material final.
A porcentagem de perlita na liga influencia diretamente a temperabilidade dos aços, pois é a partir dessa porcentagem de carbono na perlita que, ao se transformar em martensita fora do equilíbrio, é responsável pelo seu endurecimento.
Neste ensaio, deve-se aquecer e resfriar barras de diferentes diâmetros para se obter o diâmetro crítico para o aço em análise. O diâmetro crítico informa o ponto de inflexão da curva onde o material reduz a dureza, ou seja, não forma martensita.
Este método avalia a temperabilidade dos aços, consistindo em resfriar rapidamente uma extremidade de uma barra de aço e medir a dureza em diferentes distâncias a partir do extremo resfriado. O teste fornece informações sobre a capacidade do aço de endurecer em função do tempo e da temperatura de resfriamento.
A transformação da ferrita e da perlita é difusional, não ocorrendo de forma instantânea. Há um tempo necessário para que os átomos se rearranjem e formem seus primeiros núcleos, que crescem na direção cristalográfica preferencial.
Os diagramas TTT (Tempo-Temperatura-Transformação) e TRC (Temperatura-Resfriamento) são ferramentas gráficas essenciais que ilustram as transformações de fases nos materiais metálicos ao longo do tempo e da temperatura. Para se obter a curva TTT, utiliza-se um dilatômetro, que mede a variação do comprimento da amostra provocada pela mudança de temperatura. As transformações de fase geram alterações de expansão e contração devido a diferenças microestruturais.
Inicialmente, o material é austenitizado e resfriado até uma temperatura T. Espera-se um período no qual ocorre alteração de volume na transformação austenítica para perlita ou bainita, registrando-se o tempo dessa mudança de volume. Esse procedimento é repetido para várias temperaturas, criando o diagrama TTT, que fornece informações sobre as condições sob as quais ocorrem as transformações, como a formação de perlita, bainita ou martensita em aços.
Para construir a curva TRC, segue-se o mesmo procedimento da curva TTT, mas resfriando-se em uma taxa constante. O diagrama TRC é preferível quando apresenta na abscissa a taxa de resfriamento, permitindo correlação com o resfriamento ao ar, óleo ou água. O diagrama TRC é utilizado para visualizar as transformações de fase durante o resfriamento, ajudando a prever o comportamento do material sob condições específicas, como soldagem e resfriamento ao ar.
Com a adição de elementos de liga, a curva TTT começa a se modificar, apresentando regiões separadas para a formação de perlita ou bainita. A adição de elementos de liga também pode alterar a temperatura de austenitização e modificar as temperaturas Mi e Mf para a formação de fase martensítica.
Após a temperatura ultrapassar a Mi, a transformação de fase martensítica se inicia, sem que ocorra qualquer outra transformação. Nesta temperatura, o processo de difusão não ocorre; então, a matriz mãe é cisalhada e se transforma em martensita com a mesma composição química, crescendo de forma militar sobre o grão austenítico.
A Taxa de Resfriamento Crítica (TRC) em um diagrama é a velocidade mínima necessária para resfriar um material metálico de modo a evitar a formação de fases indesejáveis, como a perlita, e promover a formação de uma fase mais dura, como a martensita.
A temperabilidade é a capacidade de um aço de formar martensita durante o resfriamento rápido (têmpera). Ela determina a profundidade até onde o aço pode ser endurecido e é influenciada por vários elementos de liga. Aqui estão os principais elementos de liga e seus efeitos na temperabilidade dos aços:
O alumínio é o maior elemento formador de nitretos, promovendo maior endurecimento devido à ação do nitrogênio.
A presença de grãos finos aumenta a área de contorno de grão, que atua como locais de nucleação para a formação de ferrita e perlita durante o resfriamento. Contornos de grão mais numerosos reduzem a temperabilidade e deslocam o nariz do TTT para tempos menores, favorecendo a transformação da austenita.
Os elementos de liga podem ser classificados como alfagênios ou gamagênios, dependendo de sua influência na estabilidade das fases ferrita (α) e austenita (γ) no aço. Esses elementos afetam a microestrutura e as propriedades do aço, incluindo a temperabilidade.
O aumento desses elementos pode puxar o ponto eutetóide para porcentagens menores de carbono. Isso ocorre porque os elementos de liga alteram a solubilidade do carbono na austenita e ferrita, deslocando a posição do ponto eutetóide no diagrama de fases ferro-carbono.