Como é que a taxa de arrefecimento afecta a microestrutura do aço? A curva C no tratamento térmico revela a fascinante transformação da microestrutura do aço-carbono durante o arrefecimento. Este artigo aprofunda as diferenças entre os métodos de arrefecimento isotérmico e contínuo, explicando como as taxas de arrefecimento variáveis levam à formação de estruturas de perlite, bainite e martensite. Ao compreender a curva C, compreenderá como controlar as propriedades do aço para obter a dureza e a resistência desejadas. Mergulhe na ciência por detrás da transformação do aço e aprenda a otimizar os seus processos de tratamento térmico.
O tratamento térmico é um processo crucial no fabrico de metais que altera as propriedades físicas e, por vezes, químicas de um material. Este procedimento controlado de aquecimento e arrefecimento pode aumentar significativamente a resistência, a dureza, a ductilidade e outras propriedades mecânicas do metal sem alterar a sua forma. O princípio subjacente ao tratamento térmico reside na manipulação da microestrutura do material.
O processo envolve normalmente três fases principais:
Diferentes processos de tratamento térmico, como o recozimento, a normalização, a têmpera e o revenido, utilizam variações destas fases para obter resultados específicos. Por exemplo, a têmpera envolve um arrefecimento rápido para aumentar a dureza, enquanto o recozimento utiliza um arrefecimento lento para melhorar a ductilidade e reduzir as tensões internas.
A eficácia do tratamento térmico depende de vários factores, incluindo a composição química do metal, a microestrutura inicial, a temperatura de aquecimento, o tempo de retenção e a taxa de arrefecimento. Os processos modernos de tratamento térmico utilizam frequentemente um controlo preciso da temperatura, atmosferas de proteção e sistemas de arrefecimento controlados por computador para garantir resultados consistentes e óptimos.
Quando o aço é aquecido, sofre várias transformações de fase críticas que alteram significativamente a sua microestrutura e propriedades. Estas transformações são fundamentais para os processos de tratamento térmico e influenciam grandemente as caraterísticas finais do aço.
À temperatura ambiente, o aço-carbono existe tipicamente numa estrutura de ferrite-pearlite. À medida que a temperatura aumenta, ocorrem as seguintes transformações:
Compreender estas transformações é crucial para otimizar os processos de tratamento térmico, como o recozimento, a normalização, a têmpera e o revenido. A taxa de aquecimento, a temperatura de pico e o tempo de permanência desempenham papéis vitais no controlo da microestrutura final e das propriedades do aço.
O tratamento térmico moderno emprega frequentemente um controlo preciso da temperatura e equipamento especializado, como aquecedores de indução ou fornos de atmosfera controlada, para alcançar as transformações desejadas, minimizando os efeitos prejudiciais, como a descarbonetação ou o crescimento excessivo de grão.
A curva C, também conhecida como diagrama Tempo-Temperatura-Transformação (TTT), é uma ferramenta crítica em metalurgia utilizada para analisar a transformação da microestrutura do aço-carbono durante o arrefecimento após a austenitização. Esta curva fornece informações valiosas sobre a cinética das transformações de fase e ajuda os engenheiros a otimizar os processos de tratamento térmico para obter as propriedades mecânicas desejadas.
Existem dois métodos principais para arrefecer o aço no processo de tratamento térmico:
Na produção industrial prática, o arrefecimento contínuo é o método mais comummente utilizado devido à sua simplicidade e eficiência. No entanto, a compreensão de ambos os processos de transformação é crucial para uma conceção e otimização abrangentes do tratamento térmico do aço.
A curva C serve como uma ferramenta fundamental para prever a evolução microestrutural e conceber ciclos de tratamento térmico para obter propriedades mecânicas específicas em aços carbono e de baixa liga. Permite aos metalúrgicos e engenheiros adaptarem o processo de arrefecimento para obterem as combinações desejadas de resistência, dureza e ductilidade em componentes de aço.
Curva de transformação isotérmica de austenite em aço eutectoide
O austenite do aço eutectoide é arrefecido a uma temperatura que varia entre A1 e 550°C, resultando numa estrutura perlítica através do processo de transformação isotérmica. Esta transformação de austenite em perlite é o resultado da nucleação e crescimento alternados de ferrite e cementite, como se mostra na Figura 3-7.
Em primeiro lugar, o núcleo dos cristais de cementita forma-se no limite de grão da austenite.
O teor de carbono da cementite é superior ao da austenite, levando à absorção de átomos de carbono da austenite circundante.
Como resultado, o teor de carbono da austenite próxima é reduzido, criando condições para a formação de ferrite e convertendo esta parte da austenite em ferrite.
A baixa solubilidade de carbono da ferrite significa que o excesso de carbono deve ser transferido para a austenite adjacente à medida que esta cresce, fazendo com que o teor de carbono da região de austenite adjacente aumente e criando condições para a formação de nova cementite.
Através deste processo, a austenite acaba por ser totalmente transformada numa estrutura de perlite com camadas alternadas de ferrite e cementite.
A formação da perlita requer o movimento de átomos de carbono, sendo a distância do movimento que determina a largura das lamelas de perlita. A altas temperaturas, o movimento dos átomos de carbono é mais extenso, resultando em lamelas de perlite mais largas.
Pelo contrário, a baixas temperaturas, os átomos de carbono têm dificuldade em deslocar-se e, por conseguinte, as lamelas de perlite são mais densas. A microestrutura transformada de 727°C a 650°C é a perlita.
A estrutura obtida através da transformação entre 650°C e 600°C é conhecida como sorbita, que também é chamada de perlita fina. A transformação entre 600°C e 550°C resulta na formação de troostite, também conhecida como perlita muito fina.
Estes três tipos de estruturas perlíticas apenas se diferenciam pelo espaçamento lamelar e não apresentam diferenças fundamentais.
Os produtos da transformação isotérmica da austenite no aço eutectoide, desde o subarrefecimento até uma gama de temperaturas de 550°C a 240°C, pertencem à estrutura bainítica. A bainite superior forma-se na parte superior deste intervalo de temperatura, enquanto a bainite inferior é obtida na parte inferior. A bainite inferior tem uma dureza e resistência melhoradas, bem como uma melhor plasticidade e tenacidade. No entanto, a bainite superior não tem quaisquer aplicações práticas.
É muito difícil para os átomos de carbono na austenite deslocarem-se abaixo dos 240°C.
A austenite sofre apenas uma transformação isomórfica, passando de uma estrutura cúbica centrada na face (ferro y) para uma estrutura cúbica centrada no corpo (ferro α).
Todos os átomos de carbono da austenite original permanecem na estrutura cúbica de corpo centrado, resultando num ferro α supersaturado.
Esta solução sólida supersaturada de carbono no ferro α é designada por martensite.
Quando a austenite do aço eutectoide é arrefecida até 240°C (MS), começa a transformar-se em martensite.
À medida que a temperatura continua a descer, a quantidade de martensite aumenta enquanto a austenite subarrefecida diminui.
Quando a temperatura atinge -50°C (MF), a austenite subarrefecida já se transformou completamente em martensite.
Assim, a estrutura entre MS e MF é constituída por martensite e austenite retida.
Devido a variações no teor de carbono, a martensite tem duas formas.
A martensite com um elevado teor de carbono assume uma forma semelhante a uma agulha, conhecida como martensite tipo agulha.
A martensite com um baixo teor de carbono, por outro lado, é semelhante a uma placa e é referida como martensite tipo placa.
| Tecido | Teor de carbono (%) | Propriedades mecânicas | |||
| CDH | （Mpa） | ak J/cm2 | Ψ（%） | ||
| Baixo teor de carbono | 0.2 | 40~45 | 1500 | 60 | 20~30 |
| Alto teor de carbono | 1.2 | 60~65 | 500 | 5 | 2~4 |
Tabela 4-5 comparação das propriedades do aço martensite de baixo carbono 15MnVB e temperado e revenido Aço 40Cr
| Grau de aço | 15MnVB40Cr |
| Estado | Estado de têmpera e revenido da martensite de baixo carbono |
| CDH | 4338 |
| σo.2/MPa | 1133800 |
| σb/MPa | 13531000 |
| δ5（%） | 12.69 |
| φ(%) | 5145 |
| ak/Jcm-2 | 9560 |
| ak（-50℃）/J.cm-2 | 70≤40 |
Fig. 3-9 Curva de transformação por arrefecimento do aço eutectoide
a. Arrefecimento com forno
Quando a curva de arrefecimento intersecta a linha de início da transformação da perlite, inicia-se a transformação da austenite em perlite.
Quando a curva de arrefecimento intersecta a linha final da transição, a transformação está concluída.
Como resultado da transformação que ocorre na região da perlita, forma-se uma estrutura de perlita.
b. Arrefecimento no ar
Como resultado da rápida taxa de arrefecimento, a transformação tem lugar na região da sorbite, produzindo ferrite como produto de transformação.
c. arrefecimento do óleo
A curva de arrefecimento apenas intersecta a linha de início da transformação da perlite (na zona de transformação da troostite), mas não intersecta a linha de fim.
Como resultado, apenas uma parte da austenite é transformada, resultando na formação de troostite como produto de transformação. A parte restante da austenite transforma-se em martensite após arrefecimento até à linha MS.
Por fim, um projeto misto estrutura da martensite e obtém-se a troostite.
Trata-se do produto que foi arrefecido em óleo.
d. Arrefecimento a água.
Devido à rápida taxa de arrefecimento, a curva de arrefecimento não se intersecta com a linha de início da transformação da perlite.
Quando arrefecida abaixo da linha de início da transformação da martensite, a austenite transforma-se em martensite.
A curva de arrefecimento contínuo está localizada no canto inferior direito da curva isotérmica C, com uma temperatura de transformação P mais baixa e uma duração mais longa.
Os aços eutectoides e hipereutectoides têm uma linha de terminação de transformação P, mas nenhuma transformação do tipo B durante o arrefecimento contínuo.
Para o aço hipoeutectoide, o subarrefecimento numa gama de temperaturas específica durante o arrefecimento contínuo pode resultar na transformação parcial em B.
A determinação da curva de transformação por arrefecimento contínuo é um desafio, pelo que muitos aços ainda não dispõem desta informação.
Na prática do tratamento térmico, o processo de transformação por arrefecimento contínuo é frequentemente estimado com base na curva C.
Comparação da curva TTT e da curva CCT do aço-carbono eutectoide
Curva TT dos aços hipoeutectoides e hipereutectoides
(1) Conceito de temperabilidade
A dureza do aço refere-se à profundidade a que o aço pode ser endurecido durante a têmpera, que é uma caraterística do aço.
Durante a têmpera, a taxa de arrefecimento varia em diferentes secções da peça de trabalho.
A superfície arrefece a um ritmo mais rápido, ultrapassando o taxa de arrefecimento crítica para a formação de martensite. Como resultado, um estrutura martensítica é formado após a têmpera.
À medida que a taxa de arrefecimento diminui em direção ao centro, se a taxa de arrefecimento a uma determinada profundidade a partir da superfície cair abaixo da taxa de arrefecimento crítica necessária para a formação de martensite no aço, então a peça de trabalho não endurecerá totalmente, uma vez que existirá uma estrutura não martensítica presente após a têmpera.
(2) Efeito da temperabilidade nas propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas dos aços com boa temperabilidade são uniformes ao longo da secção, enquanto as dos aços com fraca temperabilidade variam ao longo da secção. As propriedades mecânicas, nomeadamente a tenacidade, diminuem à medida que se aproxima do centro.
Fig. 5-53 Comparação das propriedades mecânicas de aços com diferentes temperabilidades após tratamento de têmpera e revenido
a) Veio endurecido
b) Veio não endurecido
(3) Determinação e expressão da temperabilidade
Existem vários métodos para determinar a temperabilidade. O método mais utilizado, conforme especificado em GB225, é o ensaio de têmpera final para aço estrutural. Este ensaio mede a espessura da camada endurecível.
Outra medida de temperabilidade comummente utilizada é o diâmetro crítico. Este valor representa o diâmetro máximo da estrutura semi-martensítica (50%) que pode ser alcançado no centro do aço após a têmpera num meio de arrefecimento. É denotado como Do.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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