Engenharia Metalúrgica Aula 4: Temperabilidade

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1 Engenharia Metalúrgica Aula 4: Temperabilidade
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA MINAS GERAIS IFMG – CAMPUS OURO BRANCO Engenharia Metalúrgica Aula 4: Temperabilidade Eric Bartulici Mestre em Engenharia de Materiais (UFMG) Engenheiro Metalúrgico (EM-UFOP)

2 Temperabilidade Termo usado para descrever a capacidade de uma liga ser endurecida pela formação de martensita. Alta temperabilidade induz a formação da martensita não apenas na superfície, mas em grande extensão de seu interior. Medidas de temperabilidade podem ser feitas pelos métodos: Grossman ou Jominy.

3 Diagramas TTT

4 Para começar.... O que são elementos de liga?
São os elementos formadores das ligas metálicas, que são materiais de propriedade semelhantes às dos metais e que contêm pelo menos um metal em sua composição. Aço inoxidável Ouro Bronze

5 Qual a importância dos elementos de liga?
É através da adição de elementos de ligas que podemos obter melhoras de algumas propriedades como: diminuição ou aumento do ponto de fusão, aumento da dureza, aumento da resistência mecânica e/ou outras características ELÉTRICAS/MAGNÉTICAS desejadas de acordo com o uso do metal.

6 Efeito dos elementos de liga nos aços

7 Efeito dos elementos de liga no diagrama de transformação isotérmica
Com exceção do Cobalto, todos os elementos de liga antes citados deslocam o diagrama para direita, isto é, aumentam a faixa de temperabilidade* do aço. Diagrama Fe-C com liga Diagrama Fe-C * Temperabilidade indica a profundidade de endurecimento do aço.

8 Efeito do Carbono no percentual de martensita e dureza final obtida na têmpera.

9 Aços-Liga A introdução de um ou mais elementos de liga nos aços, objetiva: Aumentar dureza dos aços Aumentar resistência mecânica Diminuir peso pela redução de seção reta proporcionada pelo aumento de resistência mecânica. Conferir resistência à corrosão. Aumentar resistência à fluência ( ao calor). Aumentar resistência ao desgaste. Aumentar a capacidade de corte. Melhorar propriedades magnéticas ou elétricas.

10 De “a” a “c” anteriores, geralmente se consegue adicionando elementos que aumentam a resistência da ferrita e formam carbonetos, além do Fe3C. Geralmente adições inferiores a 5% somadas. Já os demais, requerem adições de elementos de liga em teores maiores, produzindo alterações mais profundas na ferrita e formarem carbonetos mais complexos, e são mais suscetíveis a tratamentos térmicos mais profundos.

11 Distribuição dos elementos de liga
Geralmente vão: Para a ferrita – substitucionalmente. Formar carbonetos. Formar inclusões não-metálicas (sulfetos, nitretos, silicatos, etc...) que servem para evitar excessivo crescimento de grãos nos aços. Formar compostos intermetálicos (ligações complexas de metais com elementos não metálicos junto a oxigênio, nitrogênio e outros). Mais raros de se formarem.

12 Exemplos de compostos intermetálicos

13 Carbonetos Constituinte com forte efeito endurecedor nos aços.
Fatores que influenciam na dureza/resistência: Forma Tamanho Distribuição Ex: Fe3C; TiC; (FeCr)3C; (VFe)4C3... Elementos formadores de carbonetos por ordem crescente de influência: Mn<Cr<Mo<W<Ta<V<Nb<Ti. Não formadores ( o Fe tem prioridade): Si<Al<Cu<Ni<Co.

14 Elementos endurecedores da ferrita
Cr<W<V<Mo<Ni<Mn<Si<P. Alguns destes são formadores de carbonetos, portanto seus teores relativos ao carbono serão balanceados. Elementos e teores que impedem a formação de austenita: Mo: > 8,2% W: > 12% Si: > 8,5% Ti: > 1%

15 Inclusões não-metálicas
Grandes inclusões são sempre prejudiciais Finas e dispersas, variam conforme a natureza das mesmas. AlN – nitreto de alumínio: controla o crescimento de grão austenítico, formando barreiras, controlando o tamanho de grão final. MnS – sulfeto de manganês, controlado, pode beneficiar a usinabilidade de aços. Grafita em aços de alto carbono.

16 Partículas metálicas dispersas
Cobre: Solúvel no ferro-gama (austenita). Dissolve-se na ferrita à 810ºC em menos de 2%. À 593ºC sua solubilidade cai para menos de 0,3%. Assim, ao ser resfriado a partir da austenita em teores mais elevados, precipita-se na matriz ferrítica em forma de partículas metálicas dispersas, promovendo um endurecimento por precipitação. Pb: efeito semelhante – aumento da usinabilidade.

17 Formação da martensita
Deve-se avaliar a influência das ligas nas temperaturas de início e fim de transformação martensítica. Mn, Cr, abaixam as temperaturas de início e fim de transformação martensíticas, e podem até mesmo evita-la. Consequencia: austenita retida. Co: aumenta Mi. Os elementos que ficam dissolvidos na austenita e formam a martensita, contribuem para a elevação de sua dureza.

18 Elementos de liga formadores de carboneto

19 Qual a importância dos carbonetos?
Os carbonetos puros tem sido objeto de muitos estudos em função das suas excelentes propriedades químicas, mecânicas, elétricas e magnéticas. A ocorrência de carbonetos na natureza é bastante rara, porém sua presença na forma de precipitados em aços é documentada desde o século XIX. Os carbonetos encontrados nos aços são denominados de carbonetos intersticiais, já que o arranjo cristalino pode ser descrito como um arranjo de átomos metálicos com átomos de carbono ocupando os interstícios.

20 Elementos de liga formadores de carboneto
Cromo: Forma carbonetos Cr7C3 / Cr23C6 / Cr3C2 (Pf > 1.800ºC). Tungstênio (w): Forma carbonetos muito duros (WC – Pf = 2.870ºC). Molibdênio: Várias fases possíveis (carboneto Mo2C). Vanádio: Forma carbonetos VC.

21 Cromo Forma carbonetos. Acelera o crescimento dos grãos;
Aumenta a resistência à corrosão e à oxidação. Aumenta a resistência à altas temperaturas; Aplicaçôes: Aços para construção mecânica.Aços-ferramenta. Aços inoxidáveis Produtos: Produtos para indústria química. Talheres, válvulas e peças para fornos. Ferramentas de corte.

22 Tungstênio Broca de aço rápido Forma carbonetos muito duros.
Aumenta a dureza. Aumenta a resistência a altas temperaturas. Aplicações: Aços rápidos. Aços ferramentas. Produtos: Ferramentas de corte. Broca de aço rápido

23 Molibdênio - Influência na estabilização do carboneto.
- Aumenta a resistência à tração. Aumenta a temperabilidade. - Aumenta resistência em altas temperaturas. Aplicações: Aços-ferramenta. Aços-cromo-níquel. Substituto do tungstênio em aços rápidos. Produtos: Ferramentas de corte. Alicate de aço-cromo-níquel Chaves em aço cromo-molibdênio

24 Vanádio - Inibe o crescimento dos grãos. Forma carbonetos.
- Aumenta resistência mecânica e aumenta a resistência à fadiga e à abrasão. Aplicações: Aços cromo-vanádio Produtos: Ferramentas de corte. Chave em aço cromo- vanádio Soquete de aço cromo-vanádio

25 08/10/2015 IFMG Ouro Branco

26 Elementos de liga não formadores de carbonetos

27 Elementos de liga não formadores de carboneto
Silício Manganês Níquel Cobre Cobalto

28 Silício - Aumento da resistência À oxidação em temperaturas elevadas.
- Auxilia na desoxidação e na grafitização. Aumenta a fluidez. - Aumento da resistência À oxidação em temperaturas elevadas. melhora da temperabilidade e da resistência à tração. Aplicações: Aços com alto teor de carbono. Aços para fundição em areia. Produtos: Peças fundidas. Chapas de aço silício Válvula redutora de pressão com aço silício

29 Manganês - Estabiliza os carbonetos. Ajuda a criar microestrutura dura por meio de têmpera. Diminui a velocidade de resfriamento. - Aumenta a resistência mecânica, a temperabilidade da peça e a resistência ao choque. Aplicações: Aço para construção mecânica. Produtos: Peças para automóveis e peças para uso geral em engenharia mecânica.

30 Níquel - Refina o grão e diminui a velocidade de transformação na estrutura do aço -Aumenta da resistência à tração. Aplicações: Aço para construção mecânica. Aço inoxidável, Aço resistente a altas temperaturas. Produtos: Peças para automóveis, utensílios domésticos e caixas para tratamento térmico Tubulações em aço inóxidável com níquel

31 Cobalto Desloca a curva TTT para esquerda;
Aumenta a dureza. Aumenta a resistência à tração, resistência à corrosão e à erosão. Aplicações: Aços rápidos. Elementos de liga em aços magnéticos. Produtos: Lâminas de turbina de motores a jato. Brocas em aço com cobalto

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33 UNS – Unified Numbering System (ASTM + SAE)
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37 08/10/2015 IFMG Ouro Branco

38 Lim.Escoamento 08/10/2015 IFMG Ouro Branco

39 Métodos de Determinação da Temperabilidade
08/10/2015 IFMG Ouro Branco

40 Método Grossman (Diâmetro Crítico)
Barras cilíndricas de diâmetros crescentes são austenitizadas e resfriadas rapidamente, para viabilizar a transformação da austenita em martensita. Medidas de dureza são feitas em secções transversais das barras, do centro à superfície. Obtém-se um gráfico: distâncias dos centros (abscissa) versus valores de dureza, HRC (ordenada).

41 Método Grossman (Diâmetro Crítico)
Barras mais finas apresentam uma distribuição de dureza mais uniforme ao longo de toda a seção. Considera-se o diâmetro crítico aquele em que apresenta seu centro o mínimo 50% de martensita.

42 Método Grossman (Diâmetro Crítico)
Graficamente (diâmetro das barras versus valor de dureza do centro das barras): é o diâmetro da barra em se verifica a mais brusca queda de dureza. Quanto maior o diâmetro crítico, maior a temperabilidade do material.

43 CurvaS em U São obtidas através do método de Grossman
Depende do meio de resfriamento e da composição química do material.

44 ENSAIO JOMINY Designado para avaliar a temperabilidade de um aço, ou seja, a capacidade de se obter martensita por tratamento térmico de têmpera. Consiste num dispositivo onde se coloca um corpo de prova cilíndrico, austenitizado, sobre um jato de água, até seu total resfriamento. Em seguida é feita a medida de dureza ao longo de todo o seu eixo axial.

45 Figura – Representação de um ensaio Jominy.
٠ Figura – Representação de um ensaio Jominy. 45

46 O procedimento do ensaio é descrito na norma ASTM A255.
Austenitização: O corpo de prova cilíndrico, com 1" de diametro x 4" de comprimento, é colocado em um forno a uma dada temperatura durante um período de 30 minutos. Resfriamento: Após a austenitização, o corpo de prova é colocado em um dispositivo onde recebe um jato de água, de um tubo de 10mm de diâmetro colocado pouco abaixo de sua base, regulado a uma pressão correspondente a altura livre de 65mm. Medição de Dureza: A dureza é medida em Rockwell C (HRC) a partir de um corte transversal à peça em intervalos de 1/16“, além da medição da dureza ao longo de todo o comprimento da região previamente retificada do cdp. Os pontos de medida da dureza estão situados a 1, mm da extremidade resfriada e são designados por J1,5-J3-J5-...JX.

47 OUTRAS INFORMAÇÕES - ENSAIO JOMINY
É um ensaio frequentemente usado para caracterizar a temperabilidade de aços. Uma vez completamente resfriado até à temperatura ambiente é usinada uma área ao longo do corpo de prova cilíndrico de modo a remover a camada superficial alterada durante o aquecimento. São então efetuadas medições de dureza sobre a região usinada e traçado o gráfico representativo da variação da dureza com a distância à extremidade resfriada pelo jato de água. ٠

48 Ensaio Jominy As curvas assim obtidas indicam níveis elevados de dureza na vizinhança da face inferior resfriada pelo jato de água, sendo estes reduzidos gradualmente à medida que aumenta a distância a esta face. Os valores tendem a estabilizar a partir de uma certa distância. Quanto mais temperável for o aço tanto mais atenuada é a queda de dureza na vizinhança da face arrefecida. Dureza Distância a partir da extremidade resfriada.

49 Ensaio Jominy - Desvantagem
Não é aplicável para aços de muito reduzida temperabilidade (curvas de Jominy com uma queda muito rápida da dureza), nem para aços de muito alta temperabilidade (curvas de Jominy com muito reduzida variação de dureza ao longo da geratriz).

50 Ensaio Jominy - vantagem
simplicidade de execução. possibilidade de com um só ensaio se caracterizar a resposta de um aço a uma gama muito extensa de velocidades de resfriamento. permite obter uma reprodutibilidade de resultados muito boa, mesmo para variações significativas das condições da sua execução.

51 Estudo efetuado por J. Birtalan et al
Estudo efetuado por J. Birtalan et al. sobre a reprodutibilidade deste ensaio conduziu às seguintes conclusões: - Boa reprodutibilidade para tempos de transferência de até 7 s. - a temperatura da água de resfriamento foi variada entre 10 ºC e 50 ºC sem que se registrasse uma diferença apreciável (flutuação de ± 1 ponto na escala de dureza Rockwell C, comparativamente com a dureza obtida para a água a 25 ºC); - não foi detectada nenhuma variação nos resultados ao fazer variar a pressão da água de modo a que a altura do jato livre atingisse um valor compreendido entre 25 mm e 125 mm (valor estipulado pela norma do ensaio: 65 mm); - o tempo que se leva a transferir o corpo de prova, do forno para o suporte em que ocorre o resfriamento, afeta a temperatura do material no momento em que se inicia o resfriamento e, por conseguinte, a sua posterior transformação.

52 A temperabilidade de um aço caracteriza a sua capacidade em evitar a formação de agregados F+C para resfriamentos cada vez mais lentos. Ou seja, quanto mais lento for o resfriamento que conduz à transformação A→M, maior é a temperabilidade do aço.

53 Fatores que influenciam a temperabilidade
De maneira geral, todo o fator que tem influência nos tempos de incubação A→F+C, ou seja na velocidade de nucleação da F ou C, tem uma ação direta sobre a temperabilidade: •Os elementos de liga em solução na γ (exceto Co) retardam a nucleação dos carbonetos e aumentam a temperabilidade. Mas a presença de precipitados ou de inclusões pode favorecer a nucleação e diminuir a temperabilidade. •As condições de austenitização fixam o tamanho de grão da γ, Ga. Um aumento de Ga melhora a temperabilidade, mas piora as propriedades mecânicas. ٠

54 Influência da Composição Química (Elementos de Liga)
Os elementos de liga como níquel, cromo e molibdênio retardam as reações da austenita para perlita e/ou bainita e assim mais martensita é formada

55 Influência do Teor de Carbono
As curvas de temperabilidade dependem também do teor de carbono. Em qualquer posição Jominy a dureza aumenta, em função do aumento do teor de carbono. O aumento de teor de C dificulta a formação de produtos de transformação (perlita, ferrita e cementita).

56 APRESENTAÇÃO DOS RESUTALDOS
Os resultados do ensaio são apresentados numa curva HRC=f(JX) chamada Curva Jominydo aço. Nota: O aço 35NCD16 apresenta superior temperabilidade. Os aços 42C4 e XC42 possuem a mesma % de C.

57 Banda de Temperabilidade
Durante a produção industrial existe sempre uma ligeira e inevitável variação na composição e no tamanho médio do grão. Isso resulta em um espalhamento dos dados de medição de temperabilidade que são plotados na forma de uma banda ou faixa que representam os valores mínimos e máximos esperados para uma liga.

58 Estimativa da velocidade de resfriamento do corpo de prova, para cada ponto Jx avaliado.

59 Ensaio Jominy Assim, pode-se estabelecer uma correlação entre a posição ao longo do corpo de prova Jominy e as curvas de resfriamento contínuo

60 Relação entre os Ensaios

61 Determinação de dureza através do Ensaio Jominy
Através do Ensaio Jominy é possível plotar o perfil de dureza em uma curva em U. Pode-se então determinar as durezas no centro, na superfície, na metade do raio e a ¾ do raio. Nesse caso: Centro = 28HRC Metade do raio = 30 HRC ¾ do raio = 39 HRC Superfície = 54 HRC

62 Determinação do Diâmetro Crítico pelo Método Jominy

63 Determinação do Diâmetro Crítico pelo Método Jominy
O diâmetro crítico de um aço depende do meio de resfriamento. Quanto maior a velocidade de resfriamento, maior a sua severidade. Essa característica costuma ser indicada pela letra “H”. Para que se pudesse comparar aços diferentes, quanto à temperabilidade seria necessário associar os diâmetros críticos a um certo H.

64 Determinação do Diâmetro Crítico pelo Método Jominy
Para controle da taxa de resfriamento de modo a temperar o aço, utiliza-se diferentes meios de têmpera, com diferentes capacidades de extração de calor Quanto mais rápido for o meio de resfriamento menor será a temperabilidade necessária, entretanto altas velocidades de resfriamento estão associados a severos choques térmicos.

65 Meios de Têmpera Mais Utilizados
Água Salmoura Óleo Ar Solução de polímeros Soda cáustica 5-10%

66 Têmpera em Água A água atinge a máxima taxa de resfriamento e é usada quando não resulta em excessiva distorção ou trinca da peça. Utilizada para o resfriamento de metais não ferrosos, aços inoxidáveis austeníticos. Valores mais elevados de dureza são obtidos com temperatura de 15oC a 25oC, pois acima dessa temperatura há o favorecimento de formação de estruturas mais moles pelo prolongamento do 10estágio.

67 Têmpera em Salmoura O termo salmoura refere-se á solução aquosa contendo diferentes quantidades de cloreto de sódio (NaCl) ou cloreto de cálcio (CaCl). As concentrações de NaCl variam entre 2 á 25%, entretanto, utiliza-se como referência a solução contendo 10% de NaCl. As taxas de resfriamento da salmoura são superiores às obtidas em água pura para a mesma agitação. A justificativa é que, durante os primeiros instantes da têmpera, a água evapora com contato com a superfície metálica e pequenos cristais de NaCl depositam-se nesta. Com o aumento da temperatura, ocorre a fragmentação destes cristais, gerando turbulência e destruindo a camada de vapor.

68 Têmpera em Salmoura Principais vantagens:
Taxa de resfriamento maior que da água Temperatura de têmpera menos crítica Resfriamento mais uniforme, ocasionando menor distorção das peças Desvantagens: Controle das soluções Custo mais alto Natureza corrosiva da solução

69 Têmpera em Óleo Os óleos de têmpera podem ser divididos em vários grupos baseado na composição,efeito de resfriamento e temperatura 1. Óleos convencionais –sem adição de aditivos. 2. Óleos rápidos –mistura de óleos minerais, contém aditivos que fornecem efeitos de têmpera mais rápidos. 3. Óleos de martêmpera –altos efeitos de têmpera devido à aditivos aceleradores de velocidade. 4. Óleos solúveis –normalmente utilizados como fluidos refrigerantes, mas em concentrações de 3 a 15 % são utilizados em têmpera com efeitos similares à água.

70 Têmpera em Óleo A maior parte dos óleos de têmpera apresentam taxas de resfriamento menores que as obtidas em água ou em salmoura, entretanto. Nestes meios o calor é removido de modo mais uniforme, diminuindo as distorções dimensionais e a ocorrência de trincas Os óleos são normalmente usados na faixa de temperatura de 40 a 95o C. Temperaturas mais altas causam envelhecimento. Temperaturas mais baixas causam distorção na peça pelo efeito de tempera mais rápido e perigo de fogo pela alta viscosidade.

71 Têmpera ao Ar É um meio de tempera antigo, comum e barato.
A aplicação do ar forçado como meio de têmpera é mais comum em aços de alta temperabilidade como aços-liga e aços-ferramenta. Aços carbono não apresentam temperabilidade suficiente e, conseqüentemente, os valores de dureza após a têmpera ao ar são inferiores aos obtidos em óleo, água ou salmoura. Como qualquer outro meio de têmpera, suas taxas de transferência de calor dependem da vazão.

72 Têmpera em Solução de Polímeros
Essas soluções são utilizadas como meio intermediário entre água e óleo. Isto porque a água se torna inadequada algumas vezes devido à formação de trincas enquanto que o óleo possui capacidade de extração de calor relativamente baixa. Com a seleção de um polímero básico, através do controle de sua concentração e do procedimento de têmpera é possível cobrir toda uma faixa intermediária entre óleo e água com tão pequenos incrementos quanto se queira.

73 Têmpera em Soda Cáustica
Soluções aquosas de soda cáustica são também utilizadas em 5 a 10% de concentração. O desempenho é similar ao das soluções de salmoura, porém não apresenta comportamento corrosivo. Essas soluções são utilizadas para processos de grande produção enquanto que a salmoura é adequada para aplicações pequenas de têmpera em ferramentas.