Pergunte a um metalúrgico:O que é aço temperado?

Como a têmpera é importante para o aço funcional.

As ligas metálicas são feitas de uma combinação precisa de elementos, como ingredientes em uma receita. A forma como esses elementos são reunidos sob calor altera as propriedades da liga, assim como diferentes técnicas de cozimento alteram o sabor dos alimentos.

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

Vamos dar uma olhada no básico do aço temperado... e como o aço com têmpera é mais flexível e flexível do que o aço sem têmpera.

Metalurgia 101

A metalurgia é tanto a ciência (como é aplicada à produção de metais) quanto a tecnologia de metais. Refere-se à composição química dos metais e seus atributos físicos e mecânicos.

Aqui estão alguns termos comuns que você ouvirá em torno da metalurgia e do aço temperado:

• Força :quão bem o aço resistirá à deformação ou rasgo permanente
• Resistência :quão bem o aço resistirá à fratura (muitas vezes, à medida que a resistência aumenta, a tenacidade também)
• Dureza :quão bem o metal vai resistir a arranhões ou recuos
• Resistência ao impacto :quão bem o aço resistirá ao carregamento de choque com deformação mínima (muitas vezes também conhecido como tendo tenacidade de alta resistência)
• Resistência ao desgaste :quão bem o aço resistirá à erosão, ablação, fragmentação e escoriação (geralmente também chamado de dureza)
• Integridade Estrutural :quão bem o aço irá suportar uma carga sem fraturar

O aço é um material popular para construção. Os dois elementos necessários do aço são ferro e carbono, e as ligas também costumam conter pequenas quantidades de outros metais. O aço contém menos de 2,14% de carbono:as ligas com alto teor de carbono são geralmente uma forma de ferro fundido. As ligas geralmente podem conter manganês e pequenas quantidades de silicone, fósforo, enxofre e oxigênio. O aço é tão durável e forte que pode ser usado por décadas ou mais, depois pode ser reciclado várias vezes sem perder suas propriedades. Grande parte da nova produção de aço inclui quantidades de aço reciclado.

Microestruturas de aço

Antes que possamos aprender como alterar as propriedades do aço, devemos primeiro entender sua microestrutura. O 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 estão frouxamente embaladas 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 as ligas à base de ferro são aquecidas entre 1500F e 1800F.

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

Cementita

Quando o aço carbono é aquecido até a faixa de austenita, depois resfriado sem qualquer liga presente, ele se transforma novamente em forma de ferrita. A cementita se forma quando o teor de carbono é maior que 0,006% e os átomos de carbono se combinam com o ferro para formar carboneto de ferro (Fe3C). Você nunca obterá um pedaço de metal que seja cementita pura, porque parte do material permanecerá na 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 (na qual dois materiais fundidos cristalizam simultaneamente). Está formando ferrita e cementita ao mesmo tempo, em um padrão alternado.

Martensita - estrutura cristalina tetragonal centrada no corpo (BCT)

Essa microestrutura de aço é formada pelo resfriamento do aço muito rapidamente, 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.

Essas microestruturas são importantes para entender as propriedades mecânicas do aço. O teor de carbono, as concentrações de liga e os métodos de acabamento contribuem para a microestrutura do aço. Depois de saber disso, você pode aprender a manipular suas propriedades por meio de tratamentos térmicos precisos, como o aço temperado.

Visão geral dos tratamentos térmicos

O tratamento térmico de metais alterará suas propriedades físicas. Pode aumentar sua força, ductilidade, tenacidade, dureza e resistência à corrosão.

Existem 3 tratamentos térmicos comuns:

• Recozimento :O metal é aquecido para torná-lo macio e depois resfriado lentamente. O congelamento lento das microestruturas produz grãos de metal grandes e redondos. Isso livra o metal do estresse interno e torna mais provável apenas amassar ou dobrar quando for atingido.
• Extinção :Neste processo, o metal é resfriado rapidamente (geralmente em banho de água ou óleo). Isso congela as moléculas rapidamente. Muitos grãos pequenos e irregulares são criados na superfície pela redução repentina da temperatura. As bordas irregulares dos grãos se entrelaçam, tornando o metal menos propenso a dobrar quando atingido:a superfície é mais dura.
• Temperamento :Para reduzir qualquer excesso de dureza criado pela produção ou têmpera, o metal pode ser temperado aquecendo o metal a uma temperatura específica por um tempo específico, dependendo das propriedades que você está tentando alterar.

Por que temperar aço?

O aço é temperado para dar as propriedades materiais certas para sua aplicação. Estes podem ser:

• Reduzindo a dureza enquanto aumenta a tenacidade (um material resistente resiste a lascas no impacto, enquanto um material duro resiste ao recuo e fratura antes de dobrar)
• Aumento da ductilidade (permitindo que mude de forma sem quebrar)
• Aumento da resistência ao desgaste
• Mainabilidade aumentada se o aço precisar ser trabalhado mais

Processo de aço temperado

Antes de temperar o aço, você geralmente temperará o aço primeiro, para endurecê-lo. Em seguida, a temperatura de revenimento determina quanta dureza você remove do metal. Quanto maior a temperatura, mais dureza é removida. Por exemplo, ferramentas duras são temperadas em temperaturas mais baixas, enquanto as molas flexíveis são temperadas em temperaturas mais altas.

O aço é frequentemente aquecido em um forno a gás, resistência elétrica ou indução com vácuo ou gás inerte para evitar a oxidação. Depois que o aço é aquecido até a temperatura especificada, você mantém a temperatura por um determinado período de tempo, dependendo do tipo de aço e das propriedades mecânicas que deseja alcançar.

Você não precisa de um termômetro ou pistola de temperatura para saber quando está aquecido na temperatura certa. O aço temperado muda para uma cor transparente dependendo da temperatura do revenido. 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 de tempo mais longos nessa zona de temperatura. Esta camada ajuda a prevenir a corrosão do aço.

A imagem acima mostra as diferentes cores que o aço temperado produz no metal:

• Começando à esquerda está Aço Normalizado . Este é o aço que foi aquecido acima de sua temperatura crítica superior e resfriado ao ar parado.
• O segundo da esquerda é Aço temperado . Isso é aço que foi resfriado rapidamente.
• Os próximos oito mostram as cores do aço temperado com base em sua temperatura - 130F (176C) a 730F (388C)

Exemplos de aço temperado (por temperatura/cor):

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

Qual ​​é a diferença entre temperar aço e endurecer?

O aço temperado e o aço endurecido conferem à mesma liga diferentes habilidades.

O aço endurecido o torna mais rígido e menos propenso a arranhões ou reentrâncias. No entanto, esta superfície mais dura é mais frágil. Ele não vai recuar se for atingido, mas se a força de impacto for muito forte, ele irá fraturar ou lascar. Com o revenimento, alguma dureza é perdida para aumentar a tenacidade. A dureza é a capacidade de resistir a fraturas ou lascas, mas o comércio é que é mais provável que arranhe ou recue.

Muitas vezes você vai endurecer o aço primeiro, então temperar o aço depois para atingir uma dureza específica para a relação de tenacidade.

Tratamentos térmicos de espadas e facas

A têmpera é uma parte importante da forja de lâminas. Algumas das melhores espadas são criadas através de um processo chamado têmpera diferencial. Com um temperamento diferencial, um ferreiro pode criar uma lâmina muito dura com um núcleo mais macio e elástico no centro da lâmina. Isso aumenta a tenacidade da lâmina e evita a quebra.

No Japão, as katanas eram frequentemente endurecidas ou revenidas de forma diferenciada usando aplicações de argila para ajudar a controlar a taxa de mudança durante a têmpera e o revenimento. Diferentes espessuras de argila podem ajudar a controlar a taxa de mudança.

Em outros processos de têmpera diferencial, o calor é aplicado apenas a uma parte da lâmina (geralmente a coluna). Os fabricantes de espadas observavam a mudança de cor da lâmina à medida que irradiava para a borda afiada. Uma vez que quase atinge a cor de palha clara na borda, eles removem o calor.

Tratamentos térmicos e aço temperado em aplicações “modernas”

O aço temperado não é apenas para facas e espadas. Tem aplicações do mundo real na produção moderna. As ferramentas geralmente são temperadas para serem muito, muito duras:a têmpera é parte do processo do aço ferramenta para criar uma aresta de trabalho dura que resiste à abrasão e à indentação. As ferramentas de precisão geralmente precisam manter essa borda dura para permanecer dentro da tolerância de trabalho. No entanto, o revenimento pode ser necessário posteriormente para a integridade da ferramenta geral, para torná-la menos quebradiça. Molas, aço estrutural e outras peças metálicas que requerem propriedades específicas do material também podem sofrer tratamento térmico, criando uma têmpera consistente ou diferencial, dependendo das necessidades do material da aplicação.

O metal, como um cristal com uma microestrutura maleável, oferece ao cientista de materiais muitas maneiras de abordar a solução de um problema com uma combinação inteligente de seleção de liga e tratamento térmico.