tratamento termicos 2

tratamento termicos 2

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Introdução O Ferro puro O sistema Ferro-Carbono Estruturas não de equilíbrio Diagramas T de transformação isotérmica Microconstituintes dos aços

Ferrite Perlite Cementite Bainite Martensite

Efeito dos elementos de liga

Influência sobre os diagramas de equilíbrio Formação de carbonetos Efeitos dos elementos de liga sobre Ms e Mf Efeito dos elementos de liga sobre as transformações isotérmicas perlítica e bainítica

Determinação experimental das curvas T Revenido - resistência ao amaciamento e endurecimento secundário. Resumo. A especificação AISI para aços-ferramenta. Principais adições de liga nos aços-ferramenta AISI. Exemplo de selecção de aços-ferramenta. Modelação das transformações estruturais dos aços

Cinética da transformação isotérmica Modelação das cinéticas isotérmicas Cinéticas de transformação anisotérmicas

Modelação das transformações com difusão Modelo empírico de Grange e Kiefer Modelação do período de incubação A regra da aditividade Modelação das cinéticas anisotérmicas baseada na regra da aditividade Tratamento analítico da transformação em arrefecimento contínuo Modelos baseados na discretização do arrefecimento Modelos baseados no diagrama TAC experimental A transformação martensítica

Efeito da evolução estrutural sobre a evolução térmica

Tensões residuais em tratamentos térmicos

Introdução Tensões de maquinagem Tensões induzidas por rectificação

Tensões de tratamento térmico

Arrefecimento de um material sem transformações de fase Arrefecimento de um material com transformações de fase Variações dimensionais resultantes de tratamentos térmicos Variações dimensionais durante o revenido

Transmissão de calor em tratamentos térmicos Mecanismos de transferência de calor entre um sólido a alta temperatura e um líquido vaporizável

Introdução

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).

Para uma melhor compreensão dos tratamentos térmicos dos aços ferramenta haverá que tomar em consideração a seguinte relação:

Tendo em conta as aplicações da família de aços-ferramenta podem listar-se várias propriedades relevantes para a eficácia do seu desempenho em serviço:

- dureza superficial elevada, normalmente acompanhada de exigência de alta tenacidade; nalguns casos pretende-se também que a dureza e a tenacidade subsistam ainda em elevado grau a temperaturas elevadas;

- variação dimensional o mais reduzida possível;

- boa maquinabilidade (normalmente por arranque de apara) e, em particular, a possibilidade de obtenção de acabamento superficial de elevado grau de perfeição.

O cumprimento adequado destas especificações, mesmo que isoladamente umas das outras, exige o conhecimento do tipo de estruturas que interessa obter e, consequentemente, das formas de processamento que as viabilizam. Este tipo de tarefa torna-se muitas vezes extremamente complexo se se tiver em conta que várias de entre estas exigências são em larga medida contraditórias entre si como é o caso da dureza e da tenacidade.

Na exposição que se segue vamos procurar pôr em evidência os aspectos de natureza estrutural que mais fortemente condicionam as propriedades dos aços-ferramenta.

O Ferro puro

Os aços são ligas metálicas essencialmente constituídas por Ferro e Carbono que podem assumir uma grande variedade de formas estruturais em função da temperatura e da composição química.

Assim, o Ferro puro, que à temperatura ambiente se apresenta com uma estrutura cúbica de corpo centrado (Fe-α ou simplesmente ferrite), passa a apresentar uma estrutura cúbica de faces centradas

(Fe-γ ou austenite) quando, ao aumentar a temperatura, se ultrapassam os 912 ºC. Continuando a elevar a temperatura, surge uma nova transformação estrutural a 1396 ºC que faz o Fe apresentar-se novamente com uma estrutura cúbica de corpo centrado (Fe-δ ou ferriteδ). Finalmente, a 1538 ºC o Fe atinge o ponto de fusão.

De entre as diversas formas estruturais do Ferro assume particular importância, do ponto de vista do tratamento térmico dos aços, o facto de a estrutura cúbica de faces centradas (cfc) ser compacta; quer isto dizer que este arranjo estrutural, maximizando a eficácia do preenchimento do espaço por parte dos átomos vistos como esferas rígidas, traz como consequência uma densidade mais elevada; a estrutura cúbica de corpo centrado (c), como não compacta que é, está associada a uma densidade mais reduzida. Esta diferença de densidades tem implicações sobretudo com os problemas de variações dimensionais e/ou com os estados de tensões geradas durante o processamento do material.

O sistema Ferro-Carbono c c c f c

Figura 1 - Representação esquemática das estruturas cúbica de corpo centrado (c) e cúbica de faces centradas (cfc).

A adição de Carbono ao Ferro não só traz alterações aos domínios de temperatura em que são estáveis as diferentes formas estruturais como também faz surgir novos tipos de transformações e novos componentes do sistema.

O diagrama de equilíbrio da Figura 2 permite-nos visualizar os domínios de temperaturas e composições em que são estáveis as diferentes formas estruturais do sistema Fe-C, a fracção em que estão presentes e a sua composição química.

A análise deste diagrama permite-nos constatar que:

- surgem três reacções, uma peritética a cerca de 1500 ºC, uma eutéctica a cerca de 1150 ºC e outra eutectoide a cerca de 730 ºC;

- há a considerar dois tipos de equilíbrio, o estável do sistema Ferro - Carbono (Grafite) e o metaestável do sistema Ferro -

Cementite (carboneto de ferro com a esteqiometria Fe3C); este último está representado a traço contínuo, enquanto o primeiro está representado a tracejado nas situações em que a diferença é mais significativa.

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