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TRATAMENTOS TÉRMICOS EM METAIS FERROSOS E NÃO FERROSOS PARTE I:INTRODUÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPA INSTITUTO DE TECNOLOGIA – ITEC FACULDADE.

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1 TRATAMENTOS TÉRMICOS EM METAIS FERROSOS E NÃO FERROSOS PARTE I:INTRODUÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPA INSTITUTO DE TECNOLOGIA – ITEC FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA –FEM PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA – PPGEM DISCIPLINA METALURGIA FÍSICA PROF. Dr.Sc. JOSÉ MARIA DO VALE QUARESMA

2 ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO 1 DEFINIÇÃO 2 OBJETIVO 3 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS 4 FATORES DE INFLUÊNCIA NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS 4.1 COMPONENTE 4.2 AQUECIMENTO 4.3 ATMOSFERA DO FORNO 4.4 EMPACOTAMENTO 4.5 RESFRIAMENTO 4.6 DETERMINAÇÃO DO TEMPO TOTAL DE TRATAMENTO 4.7 DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA DE TRATAMENTO

3 1 DEFINIÇÃO É o conjunto de operações de aquecimento e resfriamento a que podem ser submetidos os materiais, FERROSOS E NÃO FERROSOS, sob condições controladas de TEMPERATURA, TEMPO, ATMOSFERA E VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO, com o objetivo de alterar as suas propriedades ou conferir-lhes características determinadas.

4 2 OBJETIVO Remoção de tensões internas causadas por resfriamento desigual ou Trabalho Mecânico à Frio; Aumento ou diminuição da: Dureza; Resistência Mecânica; Ductilidade; Usinabilidade; Resistência ao Desgaste; Propriedades de Corte; Resistência à Corrosão; Resistência ao Calor e Propriedades Elétricas ou Magnéticas.

5 Na indústria metal-mecânica existe o crescente aumento de aplicações de peças metálicas com os mais distintos requisitos e propriedades, onde exige-se que estas peças possam suportar satisfatoriamente as mais diferentes condições de serviço. 3 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS

6 Em geral, a melhora de uma ou mais propriedades, mediante um determinado tratamento térmico, é conseguido com prejuízo de outras, como por exemplo: Ductilidade  Dureza  Resistência à Tração  ou  ?. 3 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS

7 Os processos de tratamento térmico dos aços, especialmente aqueles que tendem a endurece- los, são conhecidos da humanidade há pelo menos anos. Pouco se sabia, porém, acerca dos fenômenos que regem os tratamentos, sendo o sucesso dos antigos ferreiros, neste particular, fruto de muita paciência e de muitas tentativas frustradas. A literatura medieval cita processos “ mágicos ” de tratamento de espadas. 3 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS

8 As espadas espanholas de Toledo ganharam fama devido às supostas propriedades da água em que eram tratadas; as espadas de Damasco eram aquecidas ate à cor do sol e depois resfriadas para endurecimento ao serem enfiadas na barriga de escravas. Um meio de resfriamento muito preferido foi A URINA, o que não é de admirar, uma vez que águas com sais em solução são ótimos meios de resfriamento. 3 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS

9 Hoje, embora os nossos conhecimentos das mudanças de estrutura obtidas nos tratamentos térmicos não sejam ainda completos, os processos de tratamento assentam-se já em bases científicas bastantes sólidas e, felizmente, não mais precisam recorrer aos estranhos processos acima mencionados. 3 ASPECTOS INTRODUTÓRIOS

10 4 FATORES DE INFLUÊNCIA NOS TRATAMENTOS TÉRMICOS Sabe-se na prática que uma peça que apresente grandes diferenças de espessura ao longo de sua geometria, deverá apresentar severas dificuldades para receber um tratamento térmico qualquer. O problema se resume no fato de que as regiões delgadas deverão sofrer alterações estruturais antes das regiões grosseiras. Fundamentalmente, as regiões finas devido a menor volume, tendem a se aquecer mais rápido, levando às transformações de fases, assim como a dilatação térmica ocorrerem antes nestas regiões. Isto fará com que a peça sofra gradientes volumétricos internos e eventualmente gradientes de tensão, os quais, acima de um valor crítico, poderão ocasionar trincas e fissuras superficiais e internas. 4.1 COMPONENTE

11 Nesta fase, devem ser considerados: Velocidade de Aquecimento : Deve ser levada em conta quando o aço apresentar tensões residuais devido ao encruamento prévio ou estado inteiramente martensítico porque, nessas condições, um aquecimento muito rápido pode provocar empenamento ou aparecimento de fissuras. Temperatura de Aquecimento : Fator fixo, determinado pela natureza do processo e dependente das propriedades e das estruturas finais desejadas, assim como da composição química do material. 4.2 AQUECIMENTO Figura 1 – Esquema ilustrando a Velocidade de Aquecimento e a Parada Térmica, necessária ao desenvolvimento do Tratamento Térmico.

12 OBSERVAÇÃO Estará relacionada com o teor de carbono, quando tratar-se de um aço, uma vez que: quanto mais elevada a temperatura acima da zona crítica mais completa poderá ser a dissolução das fases no ferro gama ( Fe-  ); entretanto, maior o tamanho de grão da austenita (  )  desvantagem maior do que vantagem. Tempo de Permanência à Temperatura de Aquecimento : Influência semelhante a da temperatura de aquecimento, quanto mais longo o tempo, na temperatura de tratamento maior o tamanho de grão. Esta etapa do tratamento térmico é também conhecida como encharcamento e destina-se a homogeneização química e física da austenita. 4.2 AQUECIMENTO

13 OBSERVAÇÃO Tratando-se de um aço, o tempo de permanência na temperatura considerada de austenitização para se obter modificações estruturais convenientes, assim como, a temperatura uniforme em toda a seção da peça, devem ser o estritamente necessário. Tempos muito longos, apesar de possibilitarem a completa dissolução de carbonetos ou outras fases presentes no Fe- , podem causar a oxidação ou a descarbonetação e o consequente crescimento do tamanho de grão do aço  desvantagem maior do que vantagem. Figura 2 Esquema ilustrando a influência da Temperatura e do Tempo sobre o Tamanho de Grão [TG]. 4.2 AQUECIMENTO

14 3.3 ATMOSFERA DO FORNO No tratamento térmico de peças de aço deve-se evitar dois fenômenos; A OXIDAÇÃO, pela formação de casca de óxido e A DESCARBONETAÇÃO, pela formação de uma camada mais mole na superfície da peça. Tais fenômenos podem ser evitados com o uso de uma atmosfera protetora ou controladora no interior da câmara do forno, a qual, ao prevenir a formação da casca de óxido, evita o uso de métodos de limpeza e, ao eliminar a descarbonetação, garante uma superfície uniformemente dura e resistente ao desgaste. As atmosfera mais comuns são as obtidas pela combustão total ou parcial de carvão, óleo e gás, e estas atmosferas podem apresentar Oxigênio ( O ), Nitrogênio ( N ), Anidrido com CO 2, Vapor d´agua, CO, H, Hidrocarbonetos. Entretanto, é preciso sempre um estudo cuidadoso das proporções corretas dos vários constituintes de uma atmosfera protetora para que, no tratamento normal do aço, sejam evitadas tanto A OXIDAÇÃO como A DESCARBONETAÇÃO e A CARBONETAÇÃO.

15 4.3 ATMOSFERA DO FORNO EXEMPLO: O oxigênio sempre e o CO, sob certas condições, podem provocar a descarbonetação do aço. Os Hidrocarbonetos sempre e o CO, sob certas condições, podem carbonetar o aço. Reações de Oxidação: 2 Fe + O 2  2 FeO  provocada pelo O 2 Fe + CO 2  FeO + CO   provocada pelo CO 2 Fe + H 2 O   FeO + H 2   provocada pelo H 2 O 

16 4.3 ATMOSFERA DO FORNO EXEMPLO: Reações de descarbonetação [oxidação preferencial do carbono, pode ocorrer abaixo de A 1, no Fe 3 C, ou acima de A 1, na austenita (  )]. 2C + O 2  2CO  provocada pelo O 2 C + CO 2  2CO 2  provocada pelo CO 2 C + 2H 2  CH 4  provocada pelo H 2 O 

17 4.4 EMPACOTAMENTO Consiste em proteger a peça contra o oxigênio do ar atmosférico que em contato com o carbono em presença de temperatura considerável, forma os gases anidrido carbonoso ( CO ) e o anidrido carbônico ( CO 2 ).

18 4.5 RESFRIAMENTO É o fator mais importante no tratamento térmico dos metais por possibilitar efetivamente a obtenção da microestrutura e, consequentemente, determina as propriedades finais do elemento em estudo. Pela VELOCIDADE DE RESFRIAMENTO DA AUSTENITA pode-se obter ARRANJOS ESTRUTURAIS que agregam: a ferrita + perlita - [  + (  + Fe 3 C )]; só a perlita (  + Fe 3 C ); cementita + perlita [Fe 3 C + (  + Fe 3 C )]; a bainita e, finalmente; a martensita. Entretanto, não pode ser esquecido que tais possibilidades dependem de componentes como: a composição química do aço, as dimensões do elemento, a capacidade de extração de calor do meio refrigerante.

19 4.5 RESFRIAMENTO Figura 3 Microestruturas (1000x) do aço 1040 obtidas com o aumento da taxa de resfriamento da temperatura austenítica : a)Cementita globular(cinza) em matriz ferrítica, depois de revenido a 680 o C; b)Ferrita proeutetóide (branco) e perlita em uma estrutura normalizada, Tratamento térmico : 850 o C, ar parado; c)Perlita-ferrita (branco) e carbeto em arranjos paralelos; d)Bainita, Tratamento térmico: 850 o C, óleo; e)Martensita, Tratamento térmico: 850 o C, água; f)Estrutura de Widmannstätten, Tratamento térmico: 1100 o C, ar parado.

20 4.5 RESFRIAMENTO Os meios de resfriamentos podem ser: Na escolha do meio de resfriamento é preciso conciliar o tipo de estrutura final desejada, a profundidade a alcançar, a maior seção e forma da peça, para evitar empenamentos, distorções ou mesmo trincas na mesma.

21 4.6 DETERMINAÇÃO DO TEMPO TOTAL DE TRATAMENTO Figura 4 Esquema ilustrativo de um ciclo total de tratamento térmico Tempo de aquecimento ( t 1 = ½ hora/pol ou 1,18 min/mm ) Tempo de encharcamento ( t 2 = 1 h/pol ou 2,36 min/mm ) Tempo total ( t T = 3/2 hora/pol ou 3,54 min/mm ) Exemplo: no caso do CP ter 13 mm, obtém-se para: t 1 = 1,18 min/mm x 13 mm = 15,34 min; t 2 = 2,36 min/mm x 13 mm = 30,68 min. t T = 3,54 (min/mm ) x 13 mm = 46 min.

22 4.6 DETERMINAÇÃO DO TEMPO TOTAL DE TRATAMENTO Obs. Quando se coloca a peça na temperatura de tratamento, por precaução, devido ao empacotamento, deve-se adicionar 5 min ao valor de t T. Em fornos com o meio de aquecimento líquido o tempo total é de ¼ dos valores obtidos anteriormente. Figura 4 Esquema ilustrativo de um ciclo total de tratamento térmico Esta temperatura é obtida com o auxílio do diagrama de equilíbrio da liga ou aço, sendo dependente das suas composições química e finalidades (tipos) do tratamento térmico.


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