O documento descreve os principais conceitos relacionados ao diagrama de equilíbrio Fe-C e tratamentos térmicos em aços. O diagrama de equilíbrio mostra as diferentes fases que podem se formar no sistema ferro-carbono em função da temperatura e da percentagem de carbono. Os tratamentos térmicos como têmpera, revenimento e recozimento são descritos com o objetivo de modificar as propriedades mecânicas dos aços alterando sua microestrutura.

1. Tratamento Térmico
Profa. Dra. Daniela Becker

2. Diagrama de equilíbrio Fe-C
Fe3C, Fe e grafita (carbono na forma lamelar)
 Ligas de aços - 0 a
2,11 % de C
 Ligas de Ferros
Fundidos - acima de
2,11% a 6,7% de C
 Ferro alfa - dissolve
até 0,02% C
 Ferro gama -
dissolve ate 2,11 %
C

3. Diagrama de equilíbrio Fe-C

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
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
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
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
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
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
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
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Ponto S : eutetóide - Aço
Ponto C: eutético - ferro
fundido
Aço hipoeutetóide 0,008 -
0,77 C
Aço hipereutetóide 0,77 -
2,11
Fe Fundido hipoeutético
2,11-4,3
Fe Fundido hipereutético >
4,3
Ferrita: ferro
comercialmente puro (C <
0,008%), pouco resistente,
mole e dúctil - ferro alfa
Fe3C carboneto de ferro -
6,7% C (cementita)
C
S

4. Diagrama de equilíbrio Fe-C
Fe3C, Fe e grafita (carbono na forma lamelar)
 Austenita: solução sólida
de C no F gama . Boa
resistência e apreciável
tenacidade, não
magnético
 Cementita: Carbono na
forma Fe3C (carboneto de
ferro, 6,7% de C). Muito
duro, porém frágil. Finas
laminas.
 Ferrita: Ferro
praticamente puro. Baixa
dureza e resistência a
tração, elevada dutilidade
e resistente ao impacto
(Ferro alfa).

5. Diagrama de equilíbrio Fe-C
 Perlita: 88% ferrita (ferro
alfa) + 12% cementita
(Fe3C). Forma lamelar.
Propriedades
intermediárias
 Depende da liga e do
tempo de resfriamento
 Exemplo de resfriamento
lento de um aço a
0,35%(hipoeutetoide) e
1,4% de C
(hipereutetóde).
 Exemplo de um ferro
fundido a 2,7% de C
(hipoeutetoide)

6. Diagrama de equilíbrio Fe-C
 Em resumo, a austenita (Ferro gama) pode se
transformar em:
 ferrita + perlita (ferrita +cementita)
 somente perlita
 perlita + cementita
 Ledeburita (glóbulos de perlita c/ fundo de cementita)
 Isto ocorre se houver tempo suficiente para permitir o
equilíbrio
 Devido a isto os metais tem suas propriedades
modificadas

7. Resfriamento fora do equilíbrio
Ocorrências de fases ou transformações em
temperaturas diferentes daquela prevista no
diagrama
Existência a temperatura ambiente de fases
que não aparecem no diagrama

8. Transformações de fase
 COM DIFUSÃO
 Sem variação no número e composição de fases
 Ex: solidificação metal puro e transformação alotrópica
 Com variação no número e composição de fases
 Ex: Transformação eutética, eutetóide...
 SEM DIFUSÃO
 Ocorre com formação de fase metaestável
 Ex: transformação martensítica
A maioria das transformações de fase no estado sólido não ocorre
instantaneamente, ou seja, são dependentes do tempo

9. Tratamentos Térmicos
 Velocidades de aquecimento e principalmente
resfriamento provoca alterações nas transformações
alotrópicas (ferro gama -ferro alfa)
 Altera propriedades mecânicas dos metais.
 Tratamentos térmicos é o processo que eleva-se a
temperatura até a sua transformação e controla-se a
velocidade de seu resfriamento para obter
características desejadas.
 O diagrama chamada Curva TTT (tempo -
temperatura - transformação) possibilita o controle
das transformações.

10. Diagramas TTT
início
final

11. Curvas TTT
Utilizados para o estudo dos tratamento
térmicos

12. Ex 1: Curva TTT para aço eutetóide
Temperatura de
austenitização
Martensita
γ
α+Fe3C
↓
Perlita
-Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente
(independente do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta).

13. Microestrutura
Bainita
Perlita grossa Perlita fina
Martensita

14. Ex 2: curvas TTT para aço eutetóide com
as durezas especificadas das microestruturas
•Perlita grossa ~86-97HRB
•Perlita fina ~20-30HRC
•Bainita superior ~40-45 HRC
•Bainita inferior~50-60 HRC
•Martensita 63-67 HRC

15. Ex 3: Curvas de resfriamento a
temperatura constante

16. Ex 4: Algumas curvas de resfriamento contínuo
A (FORNO)= Perlita grossa
B (AR)= Perlita + fina (+ dura
que a anterior)
C(AR SOPRADO)= Perlita +
fina que a anterior
D (ÓLEO)= Perlita +
martensita
E (ÁGUA)= Martensita
No resfriamento contínuo, as curvas TTT deslocam-se um pouco
para a direita e para baixo

17. Microestruturas resultantes do
resfriamento rápido
 MARTENSITA
 A martensita se forma quando o
resfriamento for rápido o suficiente
de forma a evitar a difusão do
carbono, ficando o mesmo retido em
solução.
 Como a martensita não envolve
difusão, a sua formação ocorre
instantaneamente (independente do
tempo).
Conseqüências:
 Geração de tensões residuais.
 Risco de empenamentos.
 Risco de trincas de têmpera
(sempre intergranulares).
AUSTENITA
TRANSFORMAÇÃO
ALOTRÓPICA COM
AUMENTO DE VOLUME,
que leva à concentração de tensões
MARTENSITA

18. Microestruturas resultantes do
resfriamento rápido
 MARTENSITA
 Éuma solução sólida supersaturada de
carbono (não se forma por difusão)
 Microestrutura em forma de agulhas
 Édura e frágil (dureza: 63-67 Rc)
 Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase
metaestável, por isso não aparece no
diagrama)
 REVENIDO
 Reaquecimento por tempos maiores
 MARTENSITA REVENIDA
 Éobtida pelo reaquecimento da martensita
(fase alfa + cementita)
 Os carbonetos precipitam
 Forma de agulhas escuras
 A dureza cai
 Maior ductibilidade

19. Transformações
AUSTENITA
Resf. lento
Perlita
(∝ + Fe3C) + a
fase
próeutetóide
Resf. moderado
Bainita
(∝ + Fe3C)
Resf. Rápido
(Têmpera)
Martensita
(fase tetragonal)
reaquecimento
Martensita
Ferrita ou cementita Revenida
(∝ + Fe3C)

20. Tratamentos Térmicos
 Tratamento Térmico é um ciclo de aquecimento e
resfriamento realizado nos metais com o objetivo de
alterar as suas propriedades físicas e mecânicas, sem
mudar a forma do produto.
 O tratamento térmico é normalmente associado com o
aumento da resistência do material , mas também
pode ser usado para melhorar a usinabilidade, a
conformabilidade e restaurar a ductilidade depois de
uma operação a frio.
 Logo, o tratamento térmico é uma operação que pode
auxiliar outros processos de manufatura e/ou melhorar
o desempenho de produtos, aumentando sua
resistência ou alterando outras características
desejáveis.

21. Tratamentos Térmicos
 Os aços são tratados para uma das finalidades abaixo:
 Amolecimento - (softening)
O amolecimento é feito para redução da dureza, remoção de tensões residuais ,
melhoria da tenacidade, restauração da ductilidade, redução do tamanho do grão
ou alteração das propriedades eletromagnéticas do aço.
As principais formas de amolecimento do aço são: recozimento de
recristalização, recozimento pleno, recozimento de esferoidização e
normalização.
 Endurecimento - (hardening)
O endurecimento dos aços é feito para aumentar a resistência mecânica, a
resistência ao desgaste e a resistência à fadiga. O endurecimento é fortemente
dependente do teor de carbono do aço. A presença de elementos de liga
possibilita o endurecimento de peças de grandes dimensões, o que não seria
possível quando do uso de aços comuns ao carbono.
Os tratamentos de endurecimento são: têmpera, austêmpera, e martêmpera.
Para aumentar a resistência ao desgaste é suficiente a realização de um
endurecimento superficial (que também leva ao aumento da resistência a fadiga).
Pode-se assim proceder a uma têmpera superficial ou a um tratamento termo-
químico, que consiste na alteração da composição química da superfície pela
difusão de elementos como carbono, nitrogênio e boro.

22. Têmpera
 Resfriamento rápido objetivando o aumento da
dureza (martensita), da resistência ao desgaste, da
resistência a tração e diminuição da ductilidade

23. Têmpera
 Como mencionado antes, a martensita é muito frágil. Se um material
tivesse estrutura 100% martensítica, seria frágil como o vidro. Então os
passos a serem seguidos no tratamento térmico, para obtenção de
propriedades mecânicas adequadas num aço são:
 obter um material inteiramente martensítico por resfriamento rápido
 reduzir a fragilidade por aquecimento até uma temperatura onde a
transformação de equilíbrio para as fases a e Fe3C seja possível
 reaquecer por um curto espaço de tempo a temperatura moderada, para
obtenção de um produto de alta resistência e baixa ductilidade
 ou reaquecer por um longo espaço de tempo a temperatura moderada para
obtenção de um produto de maior ductilidade

24. Revenimento
 Revenimento é um
processo feito após o
endurecimento por
têmpera.
 Peças que sofreram
têmpera tendem a ser muito
quebradiças. A fragilidade é
causada pela presença da
martensita.
 A fragilidade pode ser
removida pelo revenimento.

25. Revenimento
 O resultado do revenimento é uma combinação desejável de
dureza, ductilidade, tenacidade, resistência e estabilidade
estrutural. As propriedades resultantes do revenimento dependem
do aço e da temperatura do revenimento.
 A martensita é uma estrutura metaestável. Quando aquecida,
tende a estabilidade, ou seja, a transformar-se nas fases ferrita e
cementita.
A martensita é uma estrutura tetragonal de corpo centrado (a
ferrita é cúbica de corpo centrado) supersaturada de carbono (a
ferrita contém carbono em até seu limite de solubilidade no ferro).
Apresenta a morfologia de finas agulhas.
 O aquecimento leva a difusão do carbono (em excesso na
estrutura) e sua conseqüente precipitação em forma de carboneto
de ferro. A saída do excesso de carbono possibilita que a
estrutura tetragonal torne-se cúbica, ou seja, torne-se ferrítica.

26. Revenimento

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
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
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
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
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

O aumento da temperatura leva assim ao crescimento das agulhas de
ferrita e a coalescência dos precipitados.
Logo tem-se que o aumento da temperatura de revenimento leva à
redução da dureza e ao aumento da ductilidade. A temperatura de
revenimento deve ser aquela na qual são obtidas as propriedades
desejadas.
O aquecimento para revenimento é mais eficiente quando as partes são
imersas em óleo, para revenimentos até 3500 C. A partir desta
temperatura o óleo contendo as partes é aquecido até a temperatura
apropriada. O aquecimento em banho permite que a temperatura seja
constante em toda a peça, proporcinando um revenimento uniforme.
Para temperaturas acima de 3500 C é mais indicado usar um banho de
sais de nitratos. Os banhos salinos podem ser aquecidos até 6250 C.
Independentemente do tipo de banho, o aquecimento gradual é
fundamental para evitar fissuras no aço.
Depois de alcançada a temperatura desejada, as partes são mantidas
nesta temperatura por aproximadamente duas horas. São então
removidas do banho e resfriadas em ar sem convecção.

27. Recozimento
 Objetiva remover tensões
(devidas aos processos de
fundição e conformação
mecânica a quente ou a
frio), diminuir a dureza,
melhorar a ductilidade e
ajustar o tamanho de
grãos.
 As peças são aquecidas, e
mantidas nesta
temperatura por uma hora
ou mais. A seguir são
resfriadas por ar.

28. Recozimento
Para entender os passos do processo quatro
conceitos devem ser conhecidos :
 trabalho a frio,
recuperação,
recristalização e
crescimento de grão

29. Recozimento
 Trabalho a frio
 Significa deformar um metal a temperaturas relativamente
baixas.
 Exemplos são a laminação a frio de barras e chapas e a
trefilação.
 A microestrutura trabalhada a frio mostra grãos altamente
distorcidos, que são instáveis. Através do aquecimento
pode-se promover a mobilidade dos átomos e tornar o
material mais 'mole' com a formação da nova
microestrutura.

30. Recozimento
Recuperação
Éo estágio mais sutil do recozimento.
Não ocorre alteração significativa da
microestrutura.
Entretanto a mobilidade atômica permite a
redução de defeitos pontuais e a movimentação
das discordâncias para posições de menor
energia.
O resultado é uma discreta redução da dureza e
um aumento considerável da condutividade
elétrica.

31. Recozimento
Recristalização
A temperatura onde a mobilidade permite
alteração significativa das propriedades
mecânicas situa-se entre 1/3 e ½ da temperatura
de fusão Tf.
O metal exposto a estas temperaturas sofre uma
transformação microestrutural denominada
recristalização.
A redução de dureza no processo de
recristalização é substancial.

32. Recozimento
Crescimento de Grão
A microestrutura desenvolvida na recristalização
forma-se espontaneamente. Ela é estável, se
comparada com a estrutura original trabalhada a
frio.
Entretanto a microestrutura recristalizada contém
uma grande quantidade de contornos de grão.
A redução destas interfaces de alta energia pode
ampliar ainda mais a estabilidade.

33. Recozimento
 Etapas:
 Recuperação
 Recristalização (alívio de
tensões)
 Aumento do tamanho do grã

34. Normalização
 éo processo de elevação
de temperatura dentro do
campo austenítico,
 O material é deixado nesta
temperatura até que toda a
microestrutura esteja
homogeneizada.
 Após é removido do forno
e resfriado em temperatura
ambiente sob convecção
natural.

35. Normalização
 A microestrutura resultante é formada por finos grãos de perlita
com ferrita e cementita dispostas em finas lamelas.
 Esta microestrutura é de baixa dureza.
 O grau de ductilidade depende das condições do ambiente de
resfriamento.
 Este processo é substancialmente mais barato do que o
recozimento pleno, pois não existe o custo adicional de
resfriamento no forno.
 A diferença principal entre peças recozidas e normalizadas é que
as peças recozidas tem propriedades (ductilidade e usinabilidade)
uniformes através de todo o seu volume enquanto que as peças
normalizadas poderão ter propriedades não uniformes.

 Isto se dá porque no recozimento pleno, toda a peça fica exposta
ao ambiente controlado do forno durante o resfriamento. No caso
de peças normalizadas, dependendo da geometria da peça, o
resfriamento não será uniforme, resultando em propriedades não
uniformes do material.