O que é Aço Temperado? Insights de Especialistas para Fortalecer Aço para Ferramentas e Estruturas

Como o revenimento é importante para aço funcional.

Ligas metálicas são feitas de uma combinação precisa de elementos, como ingredientes em uma receita. A forma como estes elementos são unidos sob calor muda as propriedades da liga, assim como diferentes técnicas de cozimento mudam o sabor dos alimentos.

Aço temperado muda as propriedades mecânicas do metal para torná-lo mais forte e mais resistente. Isso o torna um bom material para ferramentas, molas, aço estrutural e até espadas.

Vamos dar uma olhada nos fundamentos do aço temperado... e como o aço com têmpera é mais flexível e cede do que aço sem têmpera.

Metalurgia 101

Metalurgia é tanto a ciência (como aplicada à produção de metal) quanto a tecnologia dos metais. Pertence à composição química dos metais e seus atributos físicos e mecânicos.

Aqui estão alguns termos comuns que você ouvirá sobre metalurgia e têmpera de aço:

• Resistência: quão bem o aço resistirá a deformação permanente ou rasgo
• Tenacidade: quão bem o aço resistirá a fratura (frequentemente à medida que a resistência aumenta, a tenacidade também aumenta)
• Dureza: quão bem o metal resistirá a arranhões ou indentação
• Resistência ao Impacto: quão bem o aço resistirá a carga de choque com deformação mínima (frequentemente também conhecido como tendo alta tenacidade de resistência)
• Resistência ao Desgaste: quão bem o aço suportará erosão, ablação, descamação e gaxeta (frequentemente também referido como sua dureza)
• Integridade Estrutural: quão bem o aço suportará uma carga sem fraturar

O aço é um material popular para construção. Os dois elementos requeridos do aço são ferro e carbono, e ligas também frequentemente conterão pequenas quantidades de outros metais. O aço contém menos de 2,14% de carbono: ligas de carbono mais alto são geralmente uma forma de ferro fundido. Ligas frequentemente podem conter manganês e quantidades vestigiais de silício, fósforo, enxofre e oxigênio. O aço é tão durável e forte que pode ser usado por décadas ou mais, então pode ser reciclado repetidamente sem perder suas propriedades. Grande parte da nova produção de aço inclui quantidades de aço reciclado.

Microestruturas do aço

Antes de podermos aprender como mudar as propriedades do aço, devemos primeiro entender sua microestrutura. Aquecimento e resfriamento precisos do aço mudarão sua microestrutura:

Ferrita - estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC)

Este é ferro puro à temperatura ambiente. Também pode descrever aço com contagem de carbono muito baixa.

Imagine um cubo com uma molécula em cada canto e uma no centro do cubo. As moléculas são frouxamente empacotadas e contêm menos moléculas dentro de cada cubo. À temperatura ambiente, você só pode adicionar 0,006% de carbono à estrutura.

Austenita - estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC)

Esta forma ocorre quando ligas à base de ferro são aquecidas entre 815°C e 982°C.

Imagine o cubo com uma molécula em cada canto e uma molécula no centro de cada lado do cubo. Estas moléculas são mais densamente empacotadas que a ferrita e podem conter até 2% de carbono.

Cementita

Quando aço carbono é aquecido à faixa de austenita, então resfriado sem nenhuma liga presente, transforma de volta em forma de ferrita. Cementita forma quando o teor de carbono é maior que 0,006% e os átomos de carbono se combinam com ferro para formar carboneto de ferro (Fe3C). Você nunca obterá um pedaço de metal que seja cementita pura, porque parte do material permanecerá em forma de ferrita.

Perlita

Camadas alternadas de ferrita e cementita formarão uma nova estrutura chamada perlita. Isso acontece quando o aço é resfriado lentamente, formando uma mistura eutética (aquela em que dois materiais fundidos cristalizam simultaneamente). Está formando ferrita e cementita ao mesmo tempo, em um padrão alternado.

Martensita - estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT)

Esta microestrutura de aço é formada pelo resfriamento muito rápido do aço, o que força os átomos de carbono a ficarem presos na rede de ferro. O resultado é uma estrutura muito dura, em forma de agulha, de ferro e aço.

Estas microestruturas são importantes para entender as propriedades mecânicas do aço. Teor de carbono, concentrações de liga e métodos de acabamento todos contribuem para a microestrutura do aço. Uma vez que você sabe isso, pode aprender como manipular suas propriedades através de tratamentos térmicos precisos como têmpera de aço.

Visão geral de tratamentos térmicos

Tratar termicamente metais alterará suas propriedades físicas. Pode aumentar sua resistência, ductilidade, tenacidade, dureza e resistência à corrosão.

Existem 3 tratamentos térmicos comuns:

• Recozimento: O metal é aquecido para amolecer, então resfriado lentamente. Congelamento lento das microestruturas faz grãos grandes e redondos de metal. Isso livra o metal de estresse interno e o torna mais propenso a apenas amassar ou dobrar quando atingido.
• Têmpera: Neste processo, o metal é resfriado rapidamente (frequentemente em banho de água ou óleo). Isso congela as moléculas rapidamente. Muitos grãos minúsculos e irregulares de metal começam a congelar de uma vez, com muito deslocamento em cada grão e entre eles. Compare isso a um resfriamento muito lento, onde grãos esfriam lentamente ao longo do tempo em flores circulares maiores. Grãos de metal resfriados lentamente podem se mover uns sobre os outros quando o metal é atingido, amassando o metal mas não quebrando. Congelamento por choque dá à estrutura molecular menos espaço para se mover quando atingido, tornando-o mais duro, menos propenso a amassar. A rede metálica nestas estruturas é chamada martensita, e é a estrutura molecular chocada e irregular da martensita que dá aos metais temperados sua dureza característica.
• Revenimento: Para reduzir qualquer dureza excessiva criada através de produção ou têmpera, o metal pode ser revenido aquecendo o metal a uma temperatura específica por um tempo específico dependendo das propriedades que você está tentando mudar.

Por que revenir aço?

O aço é revenido para dar a ele as propriedades de material certas para sua aplicação. Estas podem ser:

• Reduzir dureza enquanto aumenta tenacidade (um material tenaz resiste a lascas no impacto, onde um material duro resiste a indentação e fraturará antes de dobrar)
• Aumento de ductilidade (permitindo que mude de forma sem quebrar)
• Aumento de resistência ao desgaste
• Aumento de usinabilidade se o aço precisar ser trabalhado mais

Processo de aço revenido

Antes de revenir aço, você frequentemente temperará o aço primeiro, para endurecê-lo. Então a temperatura de revenimento determina quanta dureza você remove do metal. Quanto maior a temperatura, mais dureza é removida. Por exemplo, ferramentas duras são revenidas em temperaturas mais baixas, enquanto molas flexíveis são revenidas em temperaturas mais altas.

O aço é frequentemente aquecido em forno a gás, resistência elétrica ou indução com vácuo ou gás inerte para prevenir oxidação. Uma vez que o aço é aquecido à temperatura especificada, você mantém a temperatura por um tempo definido dependendo do tipo de aço e das propriedades mecânicas que deseja alcançar.

Você não precisa de termômetro ou pistola de temperatura para saber quando está aquecido à temperatura certa. Aço revenido muda para uma cor transparente dependendo da temperatura do revenimento. Esta cor é formada por uma camada de óxido que se forma na superfície. Temperaturas mais altas criam camadas mais espessas de óxido de ferro, assim como períodos mais longos passados naquela zona de temperatura. Esta camada ajuda a prevenir o aço da corrosão.

A imagem acima mostra as diferentes cores que o revenimento do aço faz no metal:

• Começando à esquerda está Aço Normalizado. Este é aço que foi aquecido acima de sua temperatura crítica superior e resfriado em ar parado.
• Segundo da esquerda é Aço Temperado. Esse é aço que foi resfriado rapidamente.
• Os próximos oito mostram as cores do aço revenido baseadas em sua temperatura - 80°C (176°F) a 388°C (730°F)

Exemplos de aço revenido (por temperatura/cor):

Amarelo Pálido	176°C / 349°F	Gravadores, navalhas, raspadores
Amarelo Claro	205°C / 401°F	Broca de rocha, alargadores, serras de corte de metal
Palha Escura	226°C / 439°F	Riscadores, lâminas de plaina
Marrom	260°C / 500°F	Fitas, matrizes, brocas, martelos, cinzéis a frio
Roxo	282°C / 540°F	Ferramentas cirúrgicas, punções, ferramentas de escultura em pedra
Azul Escuro	310°C / 590°F	Chaves de fenda, chaves inglesas
Azul Claro	337°C / 639°F	Molas, parafusos para madeira
Azul Cinza	371°C / 700°F	Aço estrutural

Qual a diferença entre revenimento de aço e endurecimento?

Revenimento de aço e endurecimento de aço dão à mesma liga habilidades diferentes.

Endurecer aço o torna mais rígido e menos propenso a arranhar ou indentar. No entanto, esta superfície mais dura é mais frágil. Não indentará se for atingido, mas se a força de impacto for muito forte, fraturará ou lascará. Com revenimento, alguma dureza é perdida para aumentar a tenacidade. Tenacidade é a capacidade de suportar fratura ou lascas, mas a troca é que é mais provável arranhar ou indentar.

Frequentemente você endurecerá o aço primeiro, depois revenirá o aço depois para atingir uma proporção específica de dureza para tenacidade.

Tratamentos térmicos de espadas e facas

Revenimento é uma parte importante da fabricação de lâminas. Algumas das melhores espadas são criadas através de um processo chamado revenimento diferencial. Com um revenimento diferencial, um ferreiro pode criar uma lâmina de fio muito duro com um núcleo mais mole e elástico no centro da lâmina. Isso aumenta a tenacidade da lâmina e previne quebra.

No Japão, katanas eram frequentemente diferencialmente endurecidas ou revenidas usando aplicações de argila para ajudar a controlar a taxa de mudança durante têmpera e revenimento. Diferentes espessuras de argila podiam ajudar a controlar a taxa de mudança.

Em outros processos de revenimento diferencial, calor é aplicado apenas a uma porção da lâmina (frequentemente a espinha). Os fabricantes de espadas observariam a cor da lâmina mudar conforme irradia para o fio. Uma vez que quase atinge a cor palha clara no fio, eles removem o calor.

Tratamentos térmicos e aço revenido em aplicações "modernas"

Aço revenido não é apenas para facas e espadas. Tem aplicações reais em produção moderna. Ferramentas são frequentemente revenidas para serem muito duras: têmpera é parte do processo de aço ferramenta para criar um fio de trabalho duro que suporta abrasão e indentação. Ferramentas de precisão frequentemente precisam manter este fio duro para permanecer dentro de tolerância de trabalho. No entanto, revenimento pode ser necessário depois para a integridade da ferramenta como um todo, para torná-la menos frágil. Molas, aço estrutural e outras peças de metal que requerem propriedades de material específicas também podem passar por tratamento térmico, criando um revenimento consistente ou diferencial dependendo das necessidades do material da aplicação.

Metal, como um cristal com microestrutura maleável, oferece ao cientista de materiais muitas maneiras de abordar a resolução de um problema com uma combinação esperta de seleção de liga e tratamento térmico.