tratamento termicos 1

tratamento termicos 1

(Parte 1 de 3)

Introdução

Breve resenha histórica

Os aços-ferramenta são uma gama de aços extremamente antiga que constitui provavelmente a forma mais antiga de utilização dos metais ferrosos. A descoberta dos aços remonta a 1000 a.C., datando de então a constatação do efeito endurecedor assegurado não só pela absorção de carbono pelo ferro, mas também pela acção do aquecimento seguido de arrefecimento brusco (têmpera).

Cerca de 350 a.C. surge na Índia, e talvez ainda antes na China, o ferro de fusão: ferro extraído do minério por meio de fornos cujo funcionamento era semelhante ao dos actuais altos-fornos. O bloco esponjosos obtido era martelado para libertar as escórias sendo depois refundido em pequenos cadinhos que se deixavam arrefecer lentamente.

Os aços de Damasco eram já verdadeiros compósitos formados de camadas alternadas de aço duro e aço macio ligadas entre si por soldadura e forjagem.

Na Idade Média sofreu-se um retrocesso e fabricava-se de novo o aço aquecendo-se o ferro em contacto directo com materiais carbonados. O enriquecimento em carbono tinha lugar unicamente à superfície. Para se obterem materiais duros com um certo volume forjava-se em conjunto uma grande quantidade de pequenos bocados de aço enriquecido em carbono.

Só em meados do século XVII (1740) é que Huntsman redescobriu a fusão do aço. Fundindo num cadinho pequenos pedaços de ferro enriquecido em carbono obtém então um bloco de aço homogéneo e que endurece uniformemente.

No início do século XIX apareceu pela primeira vez a elaboração por mistura em cadinho, antes da fusão, de ferro materiais carbonados e, mais tarde, de guza. No entanto, só em 1820 é que Karsten mostrou que a diferença entre ferro, aço e guza(ferro fundido) residia no teor em carbono.

Em 1868 R. Mushet descobriu que a adição de tungsténio ao aço permitia endurecê-lo após aquecimento sem que houvesse necessidade de o temperar. Depressa se reconheceu que este tipo de aço resistia muito melhor ao desgaste e que, no caso das ferramentas de corte, mantinha o fio de corte mesmo depois de tempos de serviço mais longos. Foi, no entanto, necessário esperar mais vinte e cinco anos para se constatar que este aço (com uma composição aproximada de 2% C, 2,5% Mn e 7% W) tinha uma dureza a quente muito mais elevada e que suportava um aumento sensível das velocidades de corte. Tinha então surgido o primeiro aço rápido.

A ideia da adição de crómio ocorreu a Holtzer em 1878, mas muito havia ainda a fazer no domínio dos tratamentos térmicos. Julgava-se então que este aço não suportaria o aquecimento acima de 900 ºC; foi com as experiências de Taylor no final do século XIX que se descobriu que este aço ao crómio em vez de ver as suas propriedades degradarem-se a altas temperaturas, melhorava de tal modo as suas características que permitia atingir velocidades de corte consideradas muito elevadas para a época (10 m/min).

No início do século XIX Taylor e White recomendavam um aço com 1,85% C, 4% Cr e 8% W para logo a seguir aconselharem uma descida do teor em carbono para 0,7% acompanhada de um aumento do teor em tungsténio para 14%. Estava assim criada a base dos aços rápidos actuais.

Depois de 1900 os progressos efectuados no domínio dos aços rápidos estenderam-se a todos os aços-ferramenta. Em 1920, o número de qualidades disponíveis nos Estados Unidos era igual a 12 e a maior parte de entre elas continuam ainda hoje a ser fabricadas. É o caso particular dos aços de trabalho a quente contendo crómio ou tungsténio bem como dos aços de trabalho a frio contendo manganés, tungsténio, crómio e vanádio. No caso dos aços rápidos a dureza a quente aumentou significativamente através da adição de cobalto em quantidades que podem ir até cerca de 10%.

De entre as evoluções importantes por parte da composição química após a Primeira Guerra Mundial é de assinalar a introdução do molibdénio nos aços com 5% de crómio para satisfazer os problemas de temperabilidade e aparecimento dos aços grafíticos e dos aços com endurecimento estrutural para resolver problemas de maquinabilidade. É igualmente de salientar, durante este período, a utilização cada vez maior do molibdénio em substituição do tungsténio nos aços rápidos. Esta tendência que se acentuou no decurso da Segunda Guerra Mundial devido às dificuldades de aprovisionamento em tungsténio, foi facilitada pelos progressos entretanto alcançados no domínio dos tratamentos térmicos graças à generalização da utilização de banhos de sais.

Após 1950 os progressos realizados nos aços-ferramenta situam-se sobretudo ao nível das condições de elaboração e de transformação para afinar a estrutura dos produtos obtidos. Assinale-se igualmente a incorporação de enxofre para responder aos problemas de maquinagem, estado da superfície das ferramentas e a introdução das qualidades de aços rápidos ditos de alto carbono, com elevados teores em vanádio e cobalto.

O desenvolvimento rápido da mecanização e a diversificação dos meios empregues para transformar os diferentes materiais alargaram o domínio de aplicação dos aços-ferramenta o que levou os fabricantes de aços a criar um grande número de qualidades para responder às solicitações industriais. Esta diversificação não sendo alheia à evolução tecnológica, fica também a dever-se ao facto de o aço-ferramenta ser usado num grande número de situações, desde as ferramentas manuais, até às ferramentas de trabalho a quente e às ferramentas de corte.

Na década de 70 identificavam-se as seguintes variedades de aços-ferramenta: - 76 nos Estados Unidos (norma AISI),

- 82 na Alemanha (documento Werkstoffblätter),

- 87 em França (norma NF A 35-590).

O projecto da estrutura dos materiais

Para uma melhor compreensão da razão de ser das diferentes formas de processamento dos materiais haverá que tomar em consideração a seguinte relação:

É impossível no estado actual dos nossos conhecimentos prever teoricamente no seu conjunto a influência dos diferentes mecanismos estruturais sobre as propriedades dos materiais; não existem equações gerais de base. Haverá então que procurar pôr em evidência os conceitos e os modelos que possam servir de linha de orientação para conceber a estrutura do material que melhor se adapta a cada necessidade. Com o auxílio de certas equações poderá prever-se o sentido de variação de certas propriedades ou a sua ordem de grandeza, mas nunca o seu valor exacto (pelo menos no âmbito das situações de interesse industrial).

Algumas expressões matemáticas bem conhecidas permitem estabelecer relações entre os parâmetros estruturais e a resistência mecânica das ligas metálicas:

- a lei de Petch

R k dee e=+ ⋅ põe em evidência a importância do tamanho de grão sobre o limite de elasticidade Re (sendo Re0 o limite de elasticidade de um monocristal, ke uma constante, d o diâmetro médio dos grãos):

- a lei de variação da temperatura de transição dúctil-frágil Tc em função do tamanho médio dos grãos d :

em que k e β são constantes; - a fórmula de Ashby:

R bDr Dr bee=+ −

'lnαµ 2

para as ligas endurecíveis por precipitação, em que Re é o limite de elasticidade de uma liga cuja matriz metálica tem um limite de elasticidade tem um limite de elasticidade Re’ como resultado de um reforço com precipitados de diâmetro médio 2r espaçados entre si de uma distância média D ; as deslocações têm um vector de Burgers b , µ é o módulo de corte e α é uma constante.

Por aqui se vê que os parâmetros estruturais mais relevantes, tendo em vista a maior resistência mecânica, são o tamanho de grão da matriz metálica e a dimensão e grau de dispersão dos precipitados.

Para aumentar o limite de elasticidade e a dureza haverá que dificultar a deformação plástica; sendo esta produzida por deslizamento das deslocações nos grãos, convém assegurar as condições que tornem mais difícil esse movimento das deslocações. O endurecimento pode, nesta perspectiva ser obtido:

- dificultando o movimento das deslocações através da criação de obstáculos que podem ser as próprias deslocações (aumentando a sua densidade, ou seja, por encruamento resultante da deformação plástica), precipitados (endurecimento por precipitação) ou limites de grão (aumentando a densidade de limites de grão por unidade de volume através da afinação do grão);

- estabilizando as deslocações ou repelindo-as através de campos de tensões residuais internas que podem resultar da presença de (i) átomos estranhos na rede do metal base (endurecimento por solução sólida), ou de (i) defeitos cristalinos como as deslocações ou as falhas de empilhamento ou ainda (i) como consequência da formação de uma nova fase (em que os factores determinantes poderão ser o grau de coerência precipitado / matriz, a diferença de volume mássico, ou a sobressaturação, como é o caso da transformação martensítica).

Por fim, resta assinalar que certas estruturas cristalinas são por natureza mais maleáveis que outras (como é o caso dos materiais com estrutura cúbica de faces centradas) ou, pelo contrário, mais duras como é o caso das fases ordenadas, as fases intermetálicas e compostos como os carbonetos ou os nitretos.

Infelizmente uma grande parte do ganho em dureza de um material é normalmente acompanhado por um aumento de fragilidade ou por uma diminuição do alongamento à ruptura. Note-se que os materiais endurecidos por precipitação e constituídos por uma matriz contínua suficientemente maleável no seio da qual se encontram dispersos os precipitados endurecedores possuem um alongamento à ruptura satisfatório para o elevado nível de resistência que apresentam.

Nesta ordem de ideias, a resistência ao desgaste pode ser francamente melhorada através de um endurecimento superficial; este tipo de tratamento pode ir desde os clássicos tratamentos por indução ou termoquímicos (cementação, nitruração, etc.) até às mais recentes técnicas de deposição de revestimentos ou de tratamento superficial recorrendo a feixes de alta energia (feixe de electrões, laser, etc.); que não conduza a uma fragilidade excessiva da peça no seu conjunto (o núcleo poderá ser macio).

A tenacidade (vista como resistência à propagação brutal de uma fissura) e a resiliência (vista como capacidade de absorver energia por deformação antes de atingir a rotura) são normalmente difíceis de correlacionar com parâmetros de natureza estrutural. A tenacidade e a resiliência andam normalmente a par uma com a outra sendo geralmente tanto mais elevadas quanto mais reduzido for o teor inclusionar.

Sob solicitação variável com o tempo uma peça pode atingir a rotura (por fadiga) sem que os esforços aplicados ultrapassem o limite de elasticidade: há iniciação de uma fissura que se propaga em cada ciclo de variação da carga, atingindose a rotura quando a propagação da fissura conduziu a uma diminuição demasiado importante da secção recta. A iniciação da fissuração pode ser atrasada por um aumento da resistência à ruptura, mas, sobretudo, melhorando o estado de acabamento superficial das peças e introduzindo tensões de compressão à superfície. A propagação das fissuras (uma vez iniciadas) pode ser retardada através de uma diminuição do tamanho de grão do material e de um controle do teor inclusionar, do grau de segregação e do tamanho dos precipitados.

A resistência mecânica a alta temperatura é limitada por fenómenos de fluência, tanto mais significativos quanto maior for a temperatura (acima de 40 % da temperatura absoluta de fusão). A deformação por fluência faz intervir, graças à difusão de lacunas, mecanismos de ultrapassagem de obstáculos (por trepa) por parte das deslocações; a coalescência de agregados de lacunas nos limites de grão pode contribuir para a iniciação da fissuração. Para aumentar a resistência à fluência deverá por isso:

- aumentar a densidade de obstáculos às deslocações (precipitados, inclusões),

- retardar o escorregamento das deslocações (através da acção repulsiva de campos de tensões induzidas pela presença de átomos em solução sólida),

- diminuir o número de limites de grão por unidade de volume aumentando o tamanho do grão do material e suprimindo sobretudo os limites de grão orientados perpendicularmente à direcção da aplicação dos esforços,

- escolher uma estrutura suficientemente estável que não sofra uma evolução apreciável com o tempo; a temperatura de emprego das ligas resistentes à fluência está sempre limitada por um valor superior que depende do seu modo de endurecimento.

O comportamento em serviço de componentes metálicos é frequentemente afectado pela corrosão e pela oxidação. Para além da resistência própria de certos metais e ligas metálicas a este tipo de solicitação, interessa ter em conta as heterogeneidades de todo o tipo (heterogeneidades de composição química, defeitos estruturais, tensões residuais, etc.) que mais afectam a resistência à corrosão. É o caso da corrosão intergranular proveniente de uma precipitação preferencial nos limites de grão e de um empobrecimento em certos elementos de liga nas regiões vizinhas comparativamente com o interior dos grãos propriamente ditos. Esta forma de corrosão pode ser evitada através de certos tratamentos térmicos, mas pode também ser provocada por soldadura ou por tratamentos térmicos mal executados. A corrosão sob tensão é como o nome sugere uma forma de corrosão estimulada pela existência de tensões residuais de tracção à superfície da peça; as ligas metálicas de elevado limite elástico são particularmente sensíveis a esta última forma de corrosão.

Uma outra forma de ruína de peças metálicas como consequência da sua interacção com o meio envolvente é o desgaste por atrito, abrasão, cavitação, etc. Este tipo de problema é geralmente combatido através do endurecimento superficial. Sob este ponto de vista são particularmente interessantes as ligas metálicas onde ocorram fenómenos de endurecimento substancial por acção da deformação plástica da superfície de desgaste (caso dos aços Hadfield cuja elevada resistência ao desgaste se supõe estar associada ao facto de a deformação plástica induzida pelo desgaste implicar não só a uma transformação martensítica parcial, mas também um encruamento da matriz austenítica).

Dureza − + + + + +
Ductilidade / Alongamento + + + + −− −
Fluência − + + −

Utilização a baixas

+ + − − +

temperaturas

Resistência à oxidação a altas temperaturas −

Resistência à corrosão e à

+− + + − +

oxidação

Propriedades eléctricas

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