tratamento termicos 3

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(Parte 1 de 2)

Efeito dos elementos de liga

Influência sobre os diagramas de equilíbrio

A introdução de outro(s) elemento(s) no sistema Fe-C tem implicações não só ao nível dos diagramas de equilíbrio mas também nos diagramas T.

Quanto aos diagramas de equilíbrio de base Ferro, os efeitos da adição de um elemento permitem classificá-los em:

- elementos estabilizadores da austenite (gamagéneos), de que são exemplos mais representativos o níquel e o manganés, ambos cúbicos de faces centradas; estes elementos podem mesmo, acima de certos teores, estender o domínio de estabilidade da austenite até à temperatura ambiente, Fig. 5-(a);

- elementos estabilizadores da ferrite (alfagéneos), de que constituem exemplos típicos o crómio, o molibdénio, o vanádio e o titânio; neste caso, a expansão do domínio ferrítico faz com que acima de certos teores exista uma continuidade completa entre Fe-α e Fe-δ , Fig. 5-(b).

Para além destas duas situações extremas existem dois casos intermédios:

- por um lado, o Carbono e o Azoto que expandem o domínio austenítico sem no entanto o estabilizarem até à temperatura ambiente, Fig. 5-(c);

- por outro lado, elementos como o Boro, o Nióbio, o Tântalo e o Zircónio que retraem o domínio austenítico sem no entanto estabilizarem a ferrite delta de modo contínuo até ao domínio da ferrite alfa, Fig. 5-(d).

(a)(b)
(c)(d)

Fig. 5

Efeitos dos elementos de liga sobre Ms e Mf

Todos os elementos de liga à excepção do Co e do Al baixam Ms e Mf. Para a maioria dos aços contendo mais do que 0,5

%C Mf fica situado abaixo da temperatura ambiente; após têmpera até à temperatura ambiente estes aços ainda contêm alguma austenite residual (e em tanto maior quantidade quanto maior for o teor em Carbono). São várias as expressões propostas para a dependência de Ms relativamente à composição química:

Daqui se vê que de todos os elementos de liga é o carbono aquele que mais forte influência tem sobre Ms.

Efeito dos elementos de liga sobre as transformações isotérmicas perlítica e bainítica

A têmpera dos aços-ferramenta visa, salvo raras excepções, obter martensite, interessando por isso, quanto ao papel dos elementos de liga, estudar sobretudo a sua influência na temperabilidade do aço. Em termos práticos, a uma maior temperabilidade está associada uma maior profundidade da camada temperada, menor grau de deformação e menor risco de fissuração na têmpera. Do ponto de vista dos diagramas T uma maior temperabilidade estará associada a períodos de incubação (das transformações com difusão) mais longos; o mesmo é dizer que as curvas de início de transformação deverão estar deslocadas para tempos mais longos.

De um modo geral, todos os elementos, com excepção do cobalto, diminuem a velocidade de decomposição da austenite, quer em perlite, quer em bainite; é de salientar que a cinética destas transformações só será afectada pela fracção do(s) elemento(s) de liga presente(s) em solução sólida na austenite; com a sua presença em solução sólida na austenite contribuem assim para um aumento de temperabilidade, ao permitirem alcançar o domínio da transformação martensítica a menores velocidades de arrefecimento sem que antes a austenite se tenha decomposto em perlite ou bainite.

CSi Mn Cr Mo W V Ni C

De todos os elementos, normalmente presentes nos aços-ferramenta e, nos aços em geral, nomeadamente :

o carbono é o que mais marcada influência tem na temperabilidade. No entanto a sua incorporação nos aços a níveis relativamente elevados está limitada pela falta de tenacidade resultante.

A forma alternativa e mais económica de aumentar a temperabilidade de um aço, consiste em aumentar o seu teor em manganés. Contudo, nos aços-ferramenta, prefere-se o crómio e o molibdénio porque, além de se encontrarem entre os elementos mais baratos por "unidade de temperabilidade", melhoram substancialmente outras propriedades.

Para além de deslocarem (em maior ou menor grau) as curvas de transformação, a adição de elementos de liga contribui também para uma individualização das curvas em "C" de cada um dos domínios de transformação; enquanto que para os aços ao Carbono se consegue identificar uma única curva em "C" delimitando globalmente os domínios perlítico e bainítico, a adição de certos elementos de liga como o Crómio ou o Molibdénio faz surgir curvas em "C" próprias de cada um dos domínios; esta individualização pode inclusivamente chegar ao ponto de separar de tal forma as curvas em "C" dos domínios perlítico e bainítico que a austenite se pode encontrar metaestabilizada por um período de tempo praticamente infinito no "hiato" de temperaturas que separa os dois domínios referidos.

O Cobalto é o único elemento que desloca as curvas de transformação para tempos menores; diminui a duração do período de incubação e aumenta a velocidade de decomposição da austenite a todas as temperaturas; a forma geral das curvas não é modificada, embora haja um aumento do domínio de temperaturas da transformação bainítica. A velocidade crítica de têmpera, que é da ordem de grandeza de 100 ºC/s para um aço eutectoide sem Cobalto, aumenta para 200 ºC/s para uma adição de 5 % de Cobalto e passa para mais de 500 ºC/s com 7 % de Cobalto. O Cobalto inibe o crescimento de grão da austenite a alta temperatura, tornando os aços ao Cobalto menos sensíveis aos problemas de sobreaquecimento. Quanto mais elevada for a temperatura de austenitização, tanto menor a diferença de temperabilidade dos aços ao Cobalto comparados com os outros aços ligados; a estas temperaturas mais elevadas, o efeito de um eventual crescimento do grão e de uma maior homogeneização da austenite pode então mascarar, pelo menos parcialmente, a influência do Cobalto sobre a temperabilidade.

A adição de Crómio tem aproximadamente o mesmo efeito quer sobre o nariz perlítico, quer sobre o nariz bainítico; para teores de Crómio superiores a 3% constata-se a separação completa destes dois domínios.

800 T(ºC)

1 s1 min1 ht

800 T(ºC)

(a)(b)

1 s1 min1 ht

Fig. 6 - (a) Análise nominal: 0,40 %C - 0,5 %Cr . Temperatura de austenitização: 870 ºC. (b) Análise nominal: 0,35 %C - 2,0 %Cr . Temperatura de austenitização: 870 ºC.

O Níquel tem uma influência muito reduzida sobre a retardação das transformações isotérmicas; o seu efeito consiste numa deslocação das curvas em "C" para tempos mais longos sem alterar substancialmente nem a forma nem as posições relativas.

800 T(ºC)

1 s1 min1 ht

A+M100

800 T(ºC)

1 s1 min1 ht B

Fig. 7 - (a) Análise nominal: 0,60 %C - 1,0 % Ni. Temperatura de austenitização: 800 ºC. (b) Análise nominal: 0,60 %C - 4,0 % Cr. Temperatura de austenitização: 800 ºC.

A adição do Molibdénio traz como consequência uma deslocação (para tempos mais longos) muito mais acentuada do nariz perlítico do bainítico.

800 T(ºC)

1 s1 min1 ht

800 T(ºC)

1 s1 min1 ht

800 T(ºC)

1 s1 min1 ht Fig. 8 - (a) Análise nominal: 0,4 %C - 0,2 % Mo. Temperatura de austenitização: 870 ºC.

(b) Análise nominal: 0,4 %C - 0,5 % Mo. Temperatura de austenitização: 870 ºC. (c) Análise nominal: 0,3 %C - 2,0 % Mo. Temperatura de austenitização: 1040 ºC.

As posições das curvas de transformação são muito mais fortemente afectadas pela presença em conjunto de vários elementos de liga. No que respeita aos aços Cr-Mo o aumento do teor em Carbono (até 0,5 %) atrasa de modo notório a transformação perlítica, enquanto que para os aços Cr-Ni é a transformação bainítica a que mais acentuadamente é atrasada (quando o teor em Carbono aumenta até 0,5 %).

O Boro tem um efeito muito marcado sobre a transformação ferrito-perlítica, mesmo para teores entre 0,002 e 0,005%; o efeito do Boro é de tal modo relevante que o teor dos restantes elementos de liga pode ser reduzido a aproximadamente metade sem que as curvas de transformação sofram alterações apreciáveis quanto à sua posição; este efeito do Boro é ainda mais notório para os aços de baixo teor em Carbono, diminuindo significativamente de importância à medida que o teor em Carbono aumenta até ter um efeito quase nulo para teores em Carbono próximos do eutectoide.

É interessante, agora, fazer uma avaliação quantitativa do efeito dos elementos de liga na temperabilidade dos aços. A Fig. 9, utilizada sobretudo para quantificar o efeito dos elementos de liga no diâmetro crítico ideal, permite aferir qual a importância relativa de alguns elementos de liga, como sejam o Mn, o Cr e o Mo.

Por aqui, se verifica que, de entre os elementos mencionados, é o Mo aquele que confere maior temperabilidade, situando-se o Cr e o Mn no grupo seguinte. O silício e o níquel, quando presentes, também contribuem para alguma temperabilidade.

Um outro elemento, comum aos aços-ferramenta, omitido nesta tabela, é o vanádio. Em teoria, este elemento teria um efeito muito pronunciado na temperabilidade (mesmo superior ao molibdénio); no entanto, devido à sua forte característica de formador de carbonetos, e também devido ao facto de esses carbonetos não se dissolverem facilmente, a menos que se recorra a temperaturas extraordinariamente elevadas (e, portanto, inconvenientes), o vanádio não afectará praticamente a temperabilidade nos aços.

Variando a temperatura de austenitização obtêm-se diferentes percentagens de elementos de liga em solução sólida para um mesmo aço; os tempos de incubação sofrerão também alterações correspondentemente.

O tamanho de grão também afecta fortemente a duração do período de incubação. Os limites de grão, são locais preferenciais de nucleação heterogénea; quanto menores forem as dimensões dos grãos tanto maior será a densidade de defeitos (neste caso, limites de grão) por unidade de volume; assim, quanto menor for o tamanho dos grãos tanto maior será a tendência para diminuir a duração do período de incubação das transformações com difusão; por outras palavras, quanto menor for o tamanho dos grãos tanto menor será a temperabilidade (vista como facilidade em formar martensite, evitando que a austenite se transforme nos seus produtos de decomposição de mais alta temperatura: ferrite/perlite e bainite). O grão grosseiro, se por um lado favorece a temperabilidade (aumentando-a), por outro lado, traz consequências negativas do ponto de vista de comportamento mecânico, em particular no que diz respeito à tenacidade. Não se deve por este motivo procurar jogar sobre o tamanho de grão para aumentar a temperabilidade.

Efeito dos elementos de liga sobre a evolução da dureza durante o revenido.

Formação de carbonetos de liga.

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