Tratamento térmico- Apostila do telecurso 2000, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Tratamento térmico- Apostila do telecurso 2000 e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!

Departamento Regional de São Paulo

Tratamento térmico

MÓDULOS ESPECIAIS

MECÂNICA

Escola SENAI ””

Módulos especiais - Mecânica

Material didático extraído do módulo “Tratamento térmico”

telecurso profissionalizante 2000.

Trabalho elaborado pela

Divisão de Recursos Didáticos da

Diretoria de Educação do

Departamento Regional do SENAI-SP

Editoração eletrônica Cleide Aparecida da Silva

CFP 5.02 - Escola SENAI “Luiz Scavone”

Rua Alfredo Massareti, 191

13251-360 - Itatiba - SP

Telefax: (011) 7806-2546 / 7805-

E-mail: senai.itatiba@uol.com.br

Tratamento térmico do aço

De modo geral, o tratamento térmico consiste em aquecer e resfriar uma peça de metal para que ela atinja as propriedades mecânicas desejadas como dureza, elasticidade, ductibilidade, resistência à tração, que são as chamadas propriedades mecâ- nicas do metal. A peça adquire essas propriedades sem que se modifique o estado físico do metal.

Uma mola espiral, por exemplo, precisa ser submetida a tratamento térmico para ser usada no sistema de suspensão de um veículo. Ao ser comprimida, a mola acumula energia e, ao ser solta, ela se estende de forma violenta. Portanto, a mola deve ter dureza, elasticidade e resistência para suportar esses movimentos sem se romper. Isso é conseguido por meio do tratamento térmico.

Para o tratamento térmico de uma peça de aço, procede-se da seguinte forma:

• coloca-se a peça no forno com temperatura adequada ao tipo de material;
• deixa-se a peça no forno durante o tempo estabelecido;
• desliga-se o forno e retira-se a peça, com auxílio de uma tenaz;
• coloca-se a peça numa bancada;
• deixa-se a peça resfriar em temperatura ambiente.

O tratamento térmico provoca mudanças nas propriedades mecânicas do aço. Essas mudanças dependem de três fatores:

• temperatura de aquecimento;
• velocidade de resfriamento;
• composição química do material.

Portanto, antes do tratamento térmico, é preciso conhecer as características do aço, principalmente sua estrutura cristalina.

Estrutura cristalina

O aço se compõe de um aglomerado compacto de átomos arranjados ordenadamente, denominado estrutura cristalina.

Na siderurgia, com a oxidação do ferro-gusa, produz-se o aço no estado líquido. Na passagem do estado líquido para o sólido, os átomos que compõem o aço vão se agrupando, à medida que a temperatura diminui. Nesse processo de agrupamento, os átomos vão se organizando de modo a assumir posições definidas e ordenadas, formando figuras geométricas tridimensionais que se repetem.

A esse conjunto de átomos, que ocupam posições fixas e formam uma estrutura, denominamos célula unitária.

Durante o processo de solidificação, as células unitárias vão se multiplicando, lado a lado, e formam uma rede cristalina.

Sistema cristalino

No estado sólido, os átomos de um metal apresentam posições diferentes, com a aparência de uma figura geométrica regular. Cada metal tem uma estrutura específica. Mas pode acontecer de vários metais apresentarem a mesma estrutura. Entre as diversas formas de estrutura, vamos ver as três mais comuns.

• Reticulado cúbico de corpo centrado (CCC). Os átomos assu- mem uma posição no espaço, com forma de cubo. Oito átomos estão nos vértices e um, no centro do cubo. Exemplos: o sódio, o vanádio e o ferro (em baixa temperatura).
• Reticulado cúbico de face centrada (CFC). Os átomos ocupam os vértices e os centros das faces do cubo. Exemplos: o cálcio, o chumbo, o ouro e o ferro (em temperatura elevada).
• Reticulado hexagonal compacto (HC). Apresenta doze átomos nos vértices de um prisma de base hexagonal, dois átomos nos centros da base e mais três no seu interior. Exemplos: zinco e titânio.

Teste sua aprendizagem. Faça os exercícios a seguir e confira suas respostas com as do gabarito.

Exercícios

Marque com X a resposta correta.

1. Um dos principais meios usados para modificar as proprieda- des do aço é: a) ( ) força; b) ( ) vapor; c) ( ) calor; d) ( ) água quente. 2. Para uma mola espiral suportar movimentos de compressão e de distensão é necessário que ela seja submetida a: a) ( ) usinagem; b) ( ) tratamento térmico; c) ( ) fundição; d) ( ) modelagem. 3. O tratamento térmico depende dos seguintes fatores: a) ( ) temperatura, tempo, resfriamento; b) ( ) resistência, calor, tempo; c) ( ) resfriamento, tempo, dureza; d) ( ) tempo, dureza, calor. 4. Na passagem do estado líquido para o sólido, os átomos dos metais formam uma figura geométrica chamada: a) ( ) partícula unitária; b) ( ) estrutura múltipla; c) ( ) molécula irregular; d) ( ) célula unitária. 5. Os cristais com contornos irregulares recebem o nome de: a) ( ) rocha; b) ( ) grão; c) ( ) célula; d) ( ) átomo.

Aço

Um problema

O aumento ou a redução da dureza do aço depende do modo como ele foi tratado termicamente. Uma fresa requer um tipo de tratamen- to térmico que a torne dura para a retirada de cavacos de um mate- rial. Outro exemplo: para que o aço adquira deformação permanen- te, como é o caso do forjamento, é necessário um tipo de tratamento térmico que possibilite a mais baixa dureza a esse aço.

Temos, assim, duas situações opostas de alteração das proprie- dades do aço. Tais situações mostram a necessidade de se co- nhecer bem os constituintes do aço, antes de submetê-lo a um tratamento térmico.

Constituintes do aço

Tomemos duas amostras de aço: uma com baixo teor de carbono (0,1%) e outra com teor médio de carbono (0,5%). Vamos exami- nar, com o auxílio de um microscópio metalográfico, a estrutura cristalina dessas duas amostras.

Ao observar a amostra de baixo carbono, dis- tinguimos grãos claros, com pouco carbono, em maior quantidade, e grãos escuros com bastante carbono.

Ao observar a amostra de médio carbono, identificamos mais grãos escuros que claros. Portanto, essa amostra contém mais carbono. Os grãos escuros são mais duros e resistentes do que os grãos claros.

Com o auxílio de um microscópio metalográfico, identificamos dois constituintes da estrutura do aço: grãos claros, chamados ferrita , e grãos escuros, chamados perlita.

A ferrita (grãos claros) apresenta uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Os átomos que compõem essa estrutura se orga- nizam bem juntos entre si, de modo que fica difícil a acomodação de átomos de carbono na rede cristalina. A estrutura da ferrita conse- gue acomodar, no máximo, 0,025% de átomos de carbono.

Ampliando várias vezes o tamanho do grão escuro, vemos uma seqüência de linhas ou lâminas claras e escuras. As lâminas cla-

• numa temperatura de 300ºC, a estrutura do aço é igual à sua estrutura na temperatura ambiente: ferrita (cor branca) e perlita (cor preta);
• em temperatura de 760ºC, inicia-se uma transformação na es- trutura do aço: a perlita se transforma em austenita e a ferrita permanece estável;
• em temperatura de 850ºC, toda a estrutura do aço se transfor- ma em austenita.

O gráfico ilustra uma região de mudança de fase num intervalo de temperatura: a ferrita e a perlita se transformam em austenita. Es- sa região é chamada zona crítica : área em que as células unitá- rias de CCC se transformam em CFC, durante o aquecimento do aço.

A austenita se forma na estrutura do aço submetido a temperatu- ra elevada. Encontra-se na região acima da zona crítica, na zona de austenitização, conforme se pode observar no gráfico. A aus- tenita tem uma estrutura cúbica da face centrada (CFC), apresen- tando menor resistência mecânica e boa tenacidade. Não é mag- nética.

Resfriamento do aço

Numa temperatura de 850ºC, o aço apresenta um único constitu- inte, que é a austentita.

O gráfico, a seguir, ilustra o que ocorre quando o aço com 0,4% de carbono é retirado do forno e vai se resfriando lentamente até chegar à temperatura ambiente.

Como você pode observar, ocorre o seguinte:

• em temperatura de 850ºC, a estrutura do aço é austenita;
• em temperatura de 760ºC, parte da austenita desaparece, dando lu- gar à ferrita - permanecem, na estrutura, portanto, ferrita e austenita;
• em temperatura de 700ºC, toda a austenita se transforma em ferrita e perlita - portanto, o aço volta à sua estrutura inicial;
• em temperatura ambiente, a estrutura continua ferrita e perlita.

Se o aço for resfriado bruscamente (por exemplo, na água), ele se transformará em martensita , um constituinte duro, que pode ser visto com auxílio de microscópio metalográfico.

Linha A 1 – Indica o limite da existência de austenista; abaixo des- sa linha, não temos austenita.

Acm – Indica o limite da quantidade de carbono dissolvido na austenita;

Fe 3 C – É a fórmula do carboneto de ferro, chamado cementita.

Letras gregas : γ (gama) – Símbolo de austenita. α (alfa) – Símbolo de ferrita.

Teste sua aprendizagem. Faça os exercícios a seguir e confira suas respostas com as do gabarito.

Exercícios

Marque com X a resposta correta.

1. Podemos analisar a estrutura do aço com o auxílio de: a) ( ) estetoscópio; b) ( ) telescópio; c) ( ) microscópio; d) ( ) periscópio. 2. Os grãos escuros de uma amostra de médio carbono contêm: a) ( ) menos ferro; b) ( ) mais carbono; c) ( ) pouco carbono; d) ( ) mais ferro. 3. A estrutura do aço com 0,4% de carbono compõe-se de: a) ( ) ferrita e perlita; b) ( ) austenita; c) ( ) cementita; d) ( ) carboneto de ferro. 4. As lâminas claras da perlita recebem o nome de: a) ( ) ferrita; b) ( ) amentita; c) ( ) austenita; d) ( ) cementita.

Gabarito

1. c 2. b 3. a 4. a

Também surgem tensões nos processos de fabricação a frio, ou seja, em temperatura ambiente. Quando se prensa uma peça, os grãos de sua estrutura, que estavam mais ou menos organizados, são deformados e empurrados pelo martelo da prensa.

Na laminação, os grãos são comprimidos uns contra os outros e apresentam aparência de grãos amassados. Em ambos os casos, isto é, na laminação e no forjamento, os grãos deformados não têm a mesma resistência e as mesmas qualidades mecânicas dos grãos normais.

As tensões internas começam a ser aliviadas (diminuídas) quan- do o aço atinge a temperatura ambiente. Porém, esse processo levaria um longo tempo, podendo dar margem a empenamentos, rupturas ou corrosão. Para evitar que isso ocorra é preciso tratar o material termicamente.

Alívio de tensões

É necessário recozer o material para aliviar suas tensões, surgi- das na solidificação e nos trabalhos de deformação a frio, solda- gem ou usinagem.

No recozimento, a peça é aquecida lentamente no forno até uma temperatura abaixo da zona crítica, por volta de 570ºC a 670ºC, no caso de aços-carbono. Sendo um tratamento subcrítico, a ferrita e a perlita não chegam a se transformar em austenita. Portanto, aliviam-se as tensões sem alterar a estrutura do materi- al.

Após um período que varia de uma a três horas, a partir do início do processo, o forno é desligado e a peça é resfriada no próprio forno. Esse processo é conhecido como recozimento subcrítico.

Normalização

Em temperatura elevada, bem acima da zona crítica, os grãos de austenita crescem, absorvendo os grãos vizinhos menos estáveis. Esse crescimento é tão mais rápido quanto mais elevada for a temperatura. Se o aço permanecer muitas horas com temperatura um pouco acima da zona crítica (por exemplo 780ºC), seus grãos também serão aumentados.

No resfriamento, os grãos de austenita transformam-se em grãos de perlita e de ferrita. Suas dimensões dependem, em parte, do tamanho dos grãos de austenita.

Uma granulação grosseira torna o material quebradiço, alterando suas propriedades mecânicas. As fissuras (trincas) também se propagam mais facilmente no interior dos grãos grandes. Por isso, os grãos mais finos (pequenos) possuem melhores proprie- dades mecânicas.

A normalização consiste em refinar (diminuir) a granulação grosseira da peça, de modo que os grãos fiquem numa faixa de tamanho considerada normal.