Temperabilidade do aço

Muitos tipos de aço têm uma resposta benéfica a um método de tratamento térmico conhecido como têmpera. Um dos critérios mais importantes no processo de seleção de um material de peça é a temperabilidade. A temperabilidade descreve o quão profundo um metal pode ser endurecido após a têmpera de alta temperatura e também pode ser referido como a profundidade de endurecimento.

Aço em escala microscópica:

O primeiro nível de classificação dos aços em nível microscópico é sua estrutura cristalina, a maneira pela qual os átomos estão dispostos no espaço. As configurações Body-Centered Cubic (BCC) e Face Centered Cubic (FCC) são exemplos de estruturas cristalinas metálicas. Exemplos de estruturas cristalinas BCC e FCC podem ser vistos abaixo na Figura 1. Tenha em mente que as imagens na Figura 1 são destinadas a mostrar a posição atômica e que a distância entre os átomos é exagerada.

O próximo nível de classificação é uma fase. Uma fase é uma porção uniforme de um material que tem as mesmas propriedades físicas e químicas. O aço tem 3 fases diferentes:

1. Austenita:Ferro cúbico de face centrada; também ligas de ferro e aço que possuem a estrutura cristalina FCC.
2. Ferrita:Ferro cúbico de corpo centrado e ligas de aço que têm uma estrutura cristalina BCC.
3. Cementita:carboneto de ferro (Fe₃ C)

O nível final de classificação discutido neste artigo é a microestrutura. As três fases vistas acima podem ser combinadas para formar diferentes microestruturas de aço. Exemplos dessas microestruturas e suas propriedades mecânicas gerais são mostrados abaixo:

• Martensita:a microestrutura mais dura e forte, porém a mais frágil
• Perlita:dura, forte e dúctil, mas não particularmente resistente
• Bainita:tem uma combinação desejável de resistência-ductilidade, mais dura que a perlita, mas não tão dura quanto a martensita

Endurecimento em escala microscópica:

A temperabilidade do aço é uma função do teor de carbono do material, de outros elementos de liga e do tamanho do grão da austenita. A austenita é um ferro de fase gama e em altas temperaturas sua estrutura atômica sofre uma transição de uma configuração BCC para uma configuração FCC.

Alta temperabilidade refere-se à capacidade da liga de produzir uma alta porcentagem de martensita em todo o corpo do material após a têmpera. Os aços endurecidos são criados pela têmpera rápida do material a partir de uma alta temperatura. Isso envolve uma rápida transição de um estado de 100% de austenita para uma alta porcentagem de martensita. Se o aço tiver mais de 0,15% de carbono, a martensita se torna uma forma cúbica de corpo centrado altamente deformada e é supersaturada com carbono. O carbono efetivamente desliga a maioria dos planos de deslizamento dentro da microestrutura, criando um material muito duro e quebradiço. Se a taxa de têmpera não for rápida o suficiente, o carbono se difundirá para fora da fase austenítica. O aço torna-se então perlita, bainita ou, se mantido quente por tempo suficiente, ferrita. Nenhuma das microestruturas mencionadas tem a mesma resistência que a martensita após o revenimento e geralmente são vistas como desfavoráveis ​​para a maioria das aplicações.

O sucesso do tratamento térmico de um aço depende de três fatores:

1. O tamanho e a forma da amostra
2. A composição do aço
3. O método de extinção

1. O tamanho e a forma da amostra

Durante o processo de têmpera, o calor deve ser transferido para a superfície da amostra antes que possa ser dissipado no meio de têmpera. Conseqüentemente, a taxa na qual o interior do corpo de prova esfria depende de sua área de superfície em relação ao volume. Quanto maior a proporção, mais rápido o corpo de prova esfriará e, portanto, mais profundo será o efeito de endurecimento. Por exemplo, uma barra cilíndrica de 3 polegadas com um diâmetro de 1 polegada terá uma temperabilidade maior do que uma barra de 3 polegadas com um diâmetro de 1,5 polegada. Devido a este efeito, peças com mais cantos e arestas são mais passíveis de endurecimento por têmpera do que formas regulares e arredondadas. A Figura 2 é uma amostra de diagrama de transformação tempo-temperatura (TTT) das curvas de resfriamento de uma barra de 95 mm temperada em óleo. A superfície se transformará em 100% de martensita, enquanto o núcleo conterá alguma bainita e, portanto, terá uma dureza menor.

2. A composição do aço

É importante lembrar que diferentes ligas de aço contêm diferentes composições elementares. A proporção desses elementos em relação à quantidade de ferro dentro do aço produz uma ampla variedade de propriedades mecânicas. Aumentar o teor de carbono torna o aço mais duro e mais forte, mas menos dúctil. O elemento de liga predominante dos aços inoxidáveis ​​é o cromo, que confere ao metal sua forte resistência à corrosão. Como os humanos vêm mexendo na composição do aço há mais de um milênio, o número de combinações é infinito.

Como existem tantas combinações que produzem tantas propriedades mecânicas diferentes, testes padronizados são usados ​​para ajudar a categorizar diferentes tipos de aço. Um teste comum para temperabilidade é o Teste Jominy, mostrado na Figura 3 abaixo. Durante este teste, um bloco padrão de material é aquecido até que esteja 100% austenita. O bloco é então rapidamente movido para um aparelho onde é temperado com água. A superfície, ou a área em contato com a água, é imediatamente resfriada e a taxa de resfriamento cai em função da distância da superfície. Um plano é então moído no bloco ao longo do comprimento da amostra. A dureza em vários pontos é medida ao longo deste plano. Esses dados são então plotados em um gráfico de temperabilidade com dureza como eixo y e distância como eixo x.

As curvas de temperabilidade são construídas a partir dos resultados dos testes Jominy. Exemplos de algumas curvas de liga de aço são mostrados na Figura 4. Com uma taxa de resfriamento decrescente (queda mais acentuada na dureza em uma curta distância), mais tempo é permitido para a difusão do carbono e a formação de uma proporção maior de perlita mais macia. Isso significa menos martensita e menor temperabilidade. Um material que retém valores de dureza mais altos em distâncias relativamente longas é considerado altamente endurecível. Além disso, quanto maior a diferença de dureza entre as duas extremidades, menor a temperabilidade. É típico das curvas de temperabilidade que, à medida que a distância da extremidade temperada aumenta, a taxa de resfriamento diminui. O aço 1040 inicialmente tem a mesma dureza que o 4140 e o 4340, mas esfria extremamente rapidamente ao longo do comprimento da amostra. Os aços 4140 e 4340 resfriam a uma taxa mais gradual e, portanto, têm maior temperabilidade. O 4340 tem uma taxa de resfriamento menos extrema em relação ao 4140 e, portanto, tem a maior temperabilidade do trio.

As curvas de temperabilidade dependem do teor de carbono. Uma maior porcentagem de carbono presente no aço aumentará sua dureza. Deve-se notar que todas as três ligas na Figura 4 contêm a mesma quantidade de carbono (0,40% C). O carbono não é o único elemento de liga que pode afetar a temperabilidade. A disparidade no comportamento de temperabilidade entre esses três aços pode ser explicada em termos de seus elementos de liga. A Tabela 1 abaixo mostra uma comparação do teor de liga em cada um dos aços. 1040 é um aço carbono simples e, portanto, tem a menor temperabilidade, pois não há outros elementos além do ferro para impedir que os átomos de carbono escapem da matriz. O níquel adicionado ao 4340 permite a formação de uma quantidade ligeiramente maior de martensita em comparação ao 4140, proporcionando a maior temperabilidade dessas três ligas. A maioria dos elementos de liga metálica retarda a formação de perlita, ferrita e bainita, aumentando assim a temperabilidade do aço.

Tabela 1:mostra o conteúdo de liga de aço 4340, 4140 e 1040

Tipo de aço:	Níquel (% em peso):	Molibdênio (% em peso):	Cromo (% em peso):
4340	1,85%	0,25%	0,80%
4140	0,00%	0,20%	1,00%
1040	0,00%	0,00%	0,00%

Pode haver uma variação na temperabilidade dentro de um grupo de material. Durante a produção industrial do aço, sempre ocorrem pequenas variações inevitáveis ​​na composição elementar e na granulometria média de um lote para outro. Na maioria das vezes a temperabilidade de um material é representada por curvas máximas e mínimas definidas como limites.

A temperabilidade também aumenta com o aumento do tamanho do grão austenítico. Um grão é um cristal individual em um metal policristalino. Pense em um vitral (como o visto abaixo), o vidro colorido seria os grãos, enquanto o material de solda que o seguraria seria os limites dos grãos. Austenita, ferrita e cementita são diferentes tipos de grãos que compõem as diferentes microestruturas do aço. É nos contornos de grão que se formarão a perlita e a bainita. Isso é prejudicial para o processo de endurecimento, pois a martensita é a microestrutura desejada, os outros tipos atrapalham seu crescimento. A martensita se forma a partir do rápido resfriamento dos grãos de austenita e seu processo de transformação ainda não é bem compreendido. Com o aumento do tamanho de grão, há mais grãos de austenita e menos contornos de grão. Portanto, há menos oportunidades para a formação de microestruturas como perlita e bainita e mais oportunidades para a formação de martensita.

3. O método de extinção

Como dito anteriormente, o tipo de têmpera afeta a taxa de resfriamento. O uso de óleo, água, agentes de têmpera de polímeros aquosos ou ar produzirá uma dureza diferente no interior da peça de trabalho. Isso também desloca as curvas de temperabilidade. A água produz a têmpera mais severa seguida pelo óleo e depois pelo ar. Os agentes de têmpera de polímeros aquosos fornecem taxas de têmpera entre as de água e óleo e podem ser adaptados para aplicações específicas alterando a concentração e a temperatura do polímero. O grau de agitação também afeta a taxa de remoção de calor. Quanto mais rápido o meio de têmpera se mover pela amostra, maior será a eficácia da têmpera. As têmperas em óleo são geralmente usadas quando uma têmpera em água pode ser muito severa para um tipo de aço, pois pode rachar ou empenar durante o tratamento.

Usinagem de aços endurecidos

O tipo de fresa que deve ser escolhida para o processamento de ferramentas escolhidas para usinagem de uma peça após o endurecimento depende de algumas variáveis ​​diferentes. Sem contar os requisitos geométricos específicos da aplicação, duas das variáveis ​​mais importantes são a dureza do material e sua temperabilidade. Algumas aplicações de tensão relativamente alta exigem que um mínimo de 80% de martensita seja produzido em todo o interior da peça de trabalho. Normalmente, peças com tensão moderada requerem apenas cerca de 50% de martensita em toda a peça de trabalho. Ao usinar um metal temperado com temperabilidade muito baixa, uma ferramenta de metal duro com revestimento padrão pode funcionar sem problemas. Isso ocorre porque a parte mais dura da peça de trabalho está limitada à sua superfície. Ao usinar um aço com alta temperabilidade, é recomendável usar uma fresa com geometria especializada para essa aplicação específica. A alta temperabilidade resultará em uma peça dura em todo o seu volume. A Harvey Tool tem várias fresas diferentes para aço temperado em todo o catálogo, incluindo brocas, fresas de topo, fresas de chaveta e gravadores.

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Aço endurecido, resumido

A temperabilidade é uma medida da profundidade na qual uma liga ferrosa pode ser endurecida pela formação de martensita em todo o seu volume, da superfície ao núcleo. É uma propriedade importante do material que você deve considerar ao escolher um aço, bem como ferramentas de corte para uma aplicação específica. O endurecimento de qualquer aço depende do tamanho e forma da peça, da composição molecular do aço e do tipo de método de têmpera utilizado.