Ciência dos Materiais - Aula 08 - Tratamentos térmicos e tratamentos termoquímicos nos aços

[Música] [Música] bom gente essa é a nossa oitava aula do curso de ciênci dos materiais e na aula de hoje a gente vai falar sobre o tratamento térmico né do dos Aços ainda hoje né na na indústria metalmecânica o aço é um dos materiais mais utilizados então devido a sua sua grande utilização né seu grande uso e é importante a gente conhecer um pouquinho como é que funciona o processo de tratamento térmico dos Aços o tratamento térmico né nada mais é do que uma modificação da microestrutura né Eh fazendo procedimento controlado de aquecimento e resfriamento

e e diferente do que aconte acontece por exemplo com os vidros que a gente viu na na aula passada né que a gente consegue criar uma dureza superficial uma tensão superficial fazendo só um um aquecimento e resfriamento brusco né então por diferença de dilatação térmica a gente consegue criar essa tensão térmica no material e essa tensão térmica ele acaba então Eh aumentando a dureza da superfície do material bom no caso da do dos metais o a questão da da e do coeficiente de condutividade térmica dos metais ele é muito maior que no caso da cerâmicas

então quando a gente faz um resfriamento brusco no dos metais a gente não consegue ter um Gradiente térmico muito grande entre a superfície e o núcleo né E a gente não consegue então criar esse essa diferença muito grande de tensão então a gente precisa ter um outro recurso no caso dos metais pra gente poder fazer um tratamento térmico nele né para criar essa tensão interna e o que que que que seria isso seria a presença né de alotropia né então alotropia seria as várias fases cristalinas que o material pode apresentar em diferentes temperaturas né e

concentrações então é importante a gente conhecer a alotropia tá do do do aço e a gente vai conhecer essa alotropia do aço né Eh analisando o diagrama de fase né do do aço que a gente viu na aula passada também e Então a partir do diagrama de fase a gente consegue saber em quais temperaturas né são a o aço apresenta diferentes fases cristalinas tá e pra gente poder fazer então tratamento térmico adequada quer dizer eh de uma estrutura que a gente queira produzir né ah é importante a gente conhecer os diagramas ttt e TRC que

foi o último o último diagrama que a gente viu na na aula passada então que a partir desses diagramas ttt e TRC então a gente consegue controlar a velocidade de resfriamento para obter uma estrutura bem definida tá do no no no aço Ah o diagrama ferro carbono né que que forma os Aços tá essa alotropia ele ocorre né na temperatura né de de ah 9912 graus onde abaixo dessa temperatura o aço ele apresenta estrutura eh CCC quer dizer cúbica de corpo centrado e acima de 912 G até a temperatura de 1394 G ele apresenta né

uma estrutura CFC quer dizer cúbica de face centrada e depois ele vai apresentar uma outra alotropia né acima de 1394 tá que ele volta a ter uma estrutura CCC O importante no caso do tratamento térmico né do dos Aços tá essa transformação do CFC pro CCC né Por quê O que que ocorre nessa transformação CFC por CCC se vocês se lembram lá da da química né A estura cúbica de face centrada ele tem um fator de empacotamento atômico né e menor do que a estrutura CCC ou seja ele tem mais espaços vazios ele tem mais

eh espaços pra gente poder introduzir algum outro tipo de de de impureza ou alguma alguma outra coisa na na na nessa estrutura ou seja na estrutura CFC a difusividade dos elementos ele aumenta e eu consigo obter então uma maior concentração tá dos elementos ah por exemplo do carbono dentro da estrutura né do da estrutura CFC do que da estrutura CCC tá então trabalhando essa transformação a gente consegue então aprisionar carbono na na rede tá E esse priono do do carbono na rede é que vai me dar A tempera do do aço e uma coisa que

é importante também no caso do do dos Aços né é que a esse diagrama ferro carbono nessa estrutura ferro carbono ele apresenta várias microestruturas diferentes dependendo da concentração de carbono né então ele pode ser ferrita sementi perlita austenita bainita martensita então ele tem uma série de de estruturas né de microestruturas diferenciadas e cada uma com propriedades próprias né só variando a concentração de carbono tá então isso é um fator importante na na tempera do aço e dos tratamentos térmicos que a gente faz no aço né ah existem alguns tratamentos padronizados né que a gente chama

tá que é o tratamento de recozimento tratamento de normalização o tratamento de tempera né a o tratamento de austempera e o revenimento n Então a gente vai ver aí ao longo do do da aula de hoje o que que vem a ser esses tratamentos e as diferenças que tem entre um e outro se vocês lembram lá do diagrama de fase do do material então pra gente descobrir quais são as alotropicas por exemplo que o material apresenta né aqui a gente tem a representação de um diagrama de fase do Chumbo com o estanho n onde se

eu pegar uma uma concentração qualquer aqui no meio né uma uma composição definida tá e eu parti Então essa liga do Estado fundido do estado líquido e for fazer um resfriamento nela eu vou observar que a estrutura dela vai passando de líquido né começa a precipitar né uma fase nessa região né e a hora que ele chega Nessa outra região ele precipita né todo todo o líquido restante precipita uma fase sólida formando duas fases distintas então a gente consegue observar por exemplo nesse tipo de diagrama aqui por uma certa composição Que tipo de estrutura né

de Fases Eu Tenho Em quais temperaturas ele apresenta Então esse é um dado importante pra gente poder fazer o tratamento térmico aqui só para dar mostrar um exemplo de como é que fica a microestrutura do do aço quando a gente tem uma estrutura de ferrita né aqui é uma mestura de ferrita mais perlita onde a gente tem a ferrita nessa fase mais clara e a perlita na fase mais escura tá Ah temos aqui uma estrutura de de martensita né que na verdade a martensita é uma estrutura de e com excesso de carbono que fica tudo

distorcido tá então ele tem forma acicular tá de de agulhas né com com bastante tensão residual E aí aqui a gente tem a martensita revenida né que a é um o revenimento Na verdade é um tratamento térmico de alívio de tensão né onde a gente diminui uma série de tensões que estão estão muito acumulados na na na estrutura martensítica isso faz com que o carbono que está aqui aprisionado nessa nessa estrutura ele consiga difundir tá e formar como se fosse glóbulos né de de e de grafite tá nessa estrutura martensítica eh que a gente chama

de martensítica revenida Então essa estrutura tem muito menos tensão interna tá e Ah mas mantém aí uma dureza boa para para vários tipos de de aplicações bom esse aqui é um diagrama de fase do do sistema ferro carbono né e normalmente esse diagrama de fase uma ferro carbono a gente representa só até os 6,7 por de carbono né que a partir do 6,7 a estrutura e ela praticamente mantém a mesma de citita mais glóbulos de de grafite né precipitado onde a gente vai só aumentando a quantidade de grafite no no material e como começa a

aumentar muito a quantidade de grafite em termos de propriedade mecânica né ele acaba deteriorando pouco a propriedade Mecânica do aço então a gente não faz muito uso né de Aços né com uma concentração muito maior que o 6,7 de carbono Ah o aço que a gente trabalha tá normalmente e é um aço que ele vai nessa trabalha nessa região entre 0,02% de carbono até 2,1 de carbono né e aqui a gente tem nesse ponto né onde eu tenho aqui uma fase sólida né que abaixando a temperatura nesse ponto ele transforma em outra fase tá então

eu tenho uma modificação uma uma eh uma transformação de fase na e São fases sólidas tá que a gente chama de ponto eutetoide tá aqui na na na concentração de carbono de 0,76 por de carbono ah a partir de de de 2% né de de carbono que eu tenho uma quantidade grande de de carbono já na na estrutura tá h eu trabalho só com ferros fundidos tá então a partir daqui eu tenho ferro fundido só que o A grande maioria do ferro fundido eu trabalho geralmente em concentração de carbono né acima de 3% até da

ordem de 5% de carbono por que isso bom no caso do do do do ferro fundido ele apresenta um ponto né eutético né aqui em 4,3 de de carbono se vocês lembram lá do que do que foi comentado do ponto eutético tá é que eu tenho uma fase líquida que transforma em sólido tá e o ponto eutético é o ponto de de de concentração né onde eu tenho com com menor temperatura eu consigo atingir a região fundida do material de fundir esse material então como o o o eh o ferro fundido eu trabalho ah geralmente

produzir peças de ferro fundido Eu trabalho com com processo de fusão eu fundo o material e vazo ele dentro de um molde tá eu tenho que atingir essa temperatura alta de fusão do material então se trabalhar próximo do ponto eé do ponto eutético né eu vou ter aí a menor temperatura tá pra gente poder atingir essa essa liquidez do do do material e E então isso me economiza tá em termos de processamento do eh do do do ferro fundido esse aqui já é um diagrama eh ttt né o diagrama de transformação ah levando em consideração

o tempo onde se vocês lembram do que a gente comentou na aula passada para cada mistura ou para cada composição química de de aço ou de de metal Eu tenho um diagrama desse específico tá ele é diferente do do do diagrama ferro carbono eu posso variar a concentração e ver quais as fases presentes né e Então nesse diagrama né ttt se eu faço um resfriamento no material Então dependendo da velocidade de resfriamento que eu faço eu consigo obter uma estrutura bem definida tá então aqui eu tenho Exemplo né de nessa curva azul né de resfriamento

lento dentro do do Forno né onde eu vou obter uma estrutura de perita grosseira se eu fizer resfriamento um pouquinho mais brusco né mas ainda por exemplo ao ar eu vou obter uma uma uma estrutura de perlita Fina né que não vou dar tempo de crescer muito essa estrutura da da perlita né perlita fina que eu chamo a tratamento de normalização né E se eu fizer um um eh um resfriamento mais rápido né Por exemplo usando aí velocidade até de de cerca de de 30 40º né Eh por segundo de de velocidade de resfriamento tá

eu começo aqui obt então já a estrutura martensítica né que é um tratamento de tempera tá então quanto mais rápido for esse resfriamento por exemplo acima de 140º por segundo tá de resfriamento eu consigo obter aí uma estrutura 100% martensítica tá então eu consigo essa estrutura martensítica é uma estrutura altamente Ah e tensionada né e ele aumenta muito a dureza do aço né com tendo esse tipo de de de de estrutura bom então só para fazer uma revisão né Fácil de de lembrar Lembrando aqui que por caso do tratamento do aço acima dessa temperatur ura

né do eutetoide eu tenho a austenita tá então eu partindo aqui da austenita se eu faço resfriamento lento n eu vou ter uma uma perlita Resente um pouquinho mais rápido uma perlita fina né de de normalização se eu faço reso moderado eu vou obter uma estrutura chamada bainita que é bem próximo da da martensita se eu faço reamento rápido por exemplo umento em água ou em óleo Tá eu vou obter uma martensita e essa martensita quando ela tá muito eh tensionada muito dura né a gente consegue aliviar essa tensão interna do material fazendo um tratamento

de reaquecimento de alívio de tensão chamado revenimento né então Eh esse reaquecimento é o processo de revenimento e a gente vai obter então uma martensítica revenida tá Então essas são a as principais eh os principais tipos de de Aços tá que a gente consegue ob com tratamento térmico aqui no caso do ferro fundido né então que eu tô trabalhando aí concentrações acima do de 3% entre 3 a a quimo de 5% de de carbono também variando a velocidade de resfriamento eu obtenho estruturas diferenciadas né E quanto mais lento né Foi esse resfriamento eu dou mais

tempo do carbono de de de segregar na estrutura tá então eu vou quer dizer se eu dou tempo do carbono segregar a quantidade de carbono que fica preso dentro da da estrutura do do aço né ele diminui então ele fica com aço mais maleável então a medida que eu faço né um resfriamento mais lento no ferro fundido eu vou obter um ferro fundido mais maleável né ah e se eu adicionar por exemplo algum elemento de liga que me Facilite a precipitação do do grafite na estrutura por exemplo o magnésio ou sério né eu vou obter

aí né ah uma estrutura de um ferro fundido maleável que tem uma característica Ah bem parecida com com aço né aço maleável n e assim no caso do do por exemplo se eu faço Umo mais rápido né esse o ferro fundido Branco tá que é um ferro fundido que ele tem uma estrutura mais rígida onde o respiramento fo mais rápido então eu tenho muito carbono preso na estrutura se eu fizer um tratamento térmico nesse aço depois um tratamento de alívio de ão como se fosse um revenimento tá do do da da tempera tá eu consigo

obter né O Chamado ferro fundido maleável perlítica maleável ferrítico né que são estruturas né de de Aço né de de ferro fundido com propriedades muito interessantes em termos de eh de amortecimento de vibração tá como ele é é é uma um ao que ele tem a estrutura de Eh vamos dizer uma matriz de sementia com glóbulos de ferrita que como se fosse um material meio poroso né esse material ele consegue absorver bastante vibração muito mais do que do que os Aços e faz com que esse tipo de de de material ele ele se torne muito

importante pra gente usar ele como eh base das máquinas operatrizes onde eu preciso de rigidez de absorção de impacto né E que cause menos vibração na na hora de de eu produzir o equipamento bom então só pra gente ah manter na na na cabeça né sempre em ordem os Aços né dividem em dois grandes grupos quer dizer os Aços o diagrama ferro carbono que a gente chama de Aço até a composição de 2,1 por de carbono né E acima de 2,1 de carbono até próximo dos 5% né do ferro fundido tá Ah aqui só para

mostrar né a diferenciação da quando a gente faz um uma metalografia do do aço a gente observa a estrutura do Aço no ao microscópio né fazendo um ataque químico o aço que ele tem baixa concentração de carbono 0 2% de carbono né ele apresenta desse jeito a medida que eu vou aumentando a concentração de carbono né eu vou mudando esse tipo de de estrutura então a gente consegue aí obter uma série de variabilidade de de eh eh de tipos de Aços diferentes com propriedades diferentes só variando a concentração de carbono no material Ah só para

mostrar as aplicações que a gente faz dos Aços tá aqui nós temos por exemplo o aço 1040 com 04 por de carbono né que é uma quantidade razoável de de carbono é um um aço de alta resistência né que ele é usado por exemplo né paraa fabricação de virabrequins né parafusos né então por exemplo virab do carro que ele sofre Impacto ele funciona em Temperatura relativamente alta e precisa de alta resistência mecânica né então esse aço com 0 4% de carbono Ele atende esse tipo de requisito se aumenta a concentração de carbono para 0 88%

de de de de carbono n então eu aumento a a dureza desse aço né Ah ele pode ser usado por exemplo para talhadeiras martelos ferramentas diversas né que a gente usa aqui que a gente precisa de uma resistência Grande né E por exemplo à medida que aumento mais ainda a concentração de carbono por 0 95% de carbono eu posso usar já para fabricação de facas lâminas né Essas lâminas que ah espessuras finas de material ele precisa ter uma resistência muito grande Tá então para lâminas de serra por exemplo Então já uso aí um um aço

com aproximadamente 1% de de carbono e aí eu tenho então Ahã junto com com o o carbono tá se eu acrescento um pouquinho de outros elementos elementos de liga tá então eu tenho uma outra classe de de material que eu tenho aí aplicações diversas como molas buchas tá eixos pistões Então são materiais que tem uma uma resistência maior ainda tá então aqui só pra gente ter ter uma ideia das ligas metálicas né dos Aços que a gente usa tá então a gente divide em ligas não ferrosas e ligas ferrosas onde a liga ferrosa eu separo

então eem Aços e o ferro fundido né No Limite ali de 2,1 de carbono ah dentro dos Aços eu tenho o aço com baixo baixa concentração de carbono né e o aço com alta concentração de carbono o aço com baixa concentração de carbono eu consigo melhorar essas propriedades do aço também alterando ou adicionando outros elementos de liga sem ser o carbono né então eu consigo fazer ligas né diferencia tá para obter aí os vários tipos de e de Aços que a gente usa na na indústria metalmecânica e pro lado de cá então o na família

do ferro fundido eu tenho o ferro fundido Cinzento ferro fundido duct ferro fundido branco e o ferro fundido maleável tá bom ah para facilitar né a os vários tipos de Aços que a gente tem na na indústria esses Aços são padron ados o o aço que ele contém só o carbono como elemento de de liga tá ele é o 1 e alguma coisa então você tem um zero e mais alguma coisa onde teme XX tá ele representa a porcentagem sentencial de carbono por exemplo áo 1020 é o 0,2 de carbono o 1045 é o 0,45%

de carbono e assim por diante e Ah esses outros números que aparecem né eles são devido a ao elemento aos elementos de liga né principal que eu coloco que eu adiciono junto ao aço tá então para cada tipo de elemento de liga tá principal que eu coloco junto ao aço eu vou tendo uma nomenclatura diferenciada então assim como eu tenho pro aço eu tenho pro alumínio e pros outros elementos de liga então no caso por exemplo do do Alumínio né Se eu tiver alumínio puro ele também usa essa nomenclatura de 1 XXX tá que é

o alumínio puro então só tenho um na frente se eu utilizar o cobre como elemento de liga principal junto ao ao alumínio eu uso dois se se for manganês três se liche quatro e assim por diante Então dependendo do elemento de liga que faz tá a a composição junto com com alumínio eu tenho aí a uma nomenclatura mais adequada Ah eu tinha mostrado algumas aplicações do do aço tá E aqui então a gente tem algumas aplicações pro pras ligas de alumínio então no caso né do do alumínio puro ou o alumínio comercialmente puro que é

dito puro tá geralmente ente ele é feito para contatos elétricos né a gente tem enfiação elétrica hoje muito utilizada no no lugar do do cobre né então o alumínio também é um bom condutor elétrico tá e a grande vantagem do Alumínio é que ele é pouco denso como ele é um elemento leve tá ele é fácil de esticar o cabo de de alumínio Então a gente tem aí as várias aplicações tá do dos alumínios inclusive por exemplo o alumínio que que é usado para pistões né dentro de de motores né n ele é feito né

É é um alumínio que tem Ah silício junto para aumentar a resistência do do do Alumínio e principalmente a resistência térmica do Alumínio tá e assim por diante ah dentro desse processo de de tratamento térmico tá quando a gente faz a a o resfriamento do material tá esse resfriamento a gente faz o resfriamento não termodinâmico o que acontece é que eu pego uma estrutura de alta temperatura e eu consigo obter essa estrutura de alta temperatura na temperatura ambiente se eu fizer um ramento rápido então ele fica no estado meta estável que a gente chama de

metaestável e geralmente esse estado metaestável tá ele apresenta uma quantidade de eh de elementos né acima da da da solubilização para para aquela temperatura então por exemplo se eu tenho aqui ó um um certo elemento que eu faço um ramento brusco né ramento rápido Ah eu crio uma estrutura eh metaestável né tá que ele deveria separar em duas fases diferentes mas ele vira uma única fase só que como ele ele tá instável tá H Se eu colocar qualquer coisa nele ou ao longo do tempo ou variações de temperatura ou variações de tensões no material ele

começa a precipitar né esse material de segunda fase tá essa precipitação né ele causa o endurecimento da de estrutura que a gente chama né de endurecimento por solubilização ou por precipitação ah ou envelhecimento ah junto com o tratamento térmico tá Ah existe um outro tratamento que é importante a gente salientar que são os tratamentos termoquímicos né então o que que é isso o tratamento termoquímico nada mais é do que a adição de um segundo elemento né Eh no no no e que eu introduzo por difusão em alta temperatura então no caso do dos Aços esse

tratamento termoquímico ele é feito pela adição de carbono então eu coloco uma quantidade Extra de carbono no material tá então ele chama de cementação ou carbonetação Ah se eu colocar o nitrogênio né eu vou fazer um processo de nitretação a carbonit nitretação né É É um é um conjunto de carbono mais n que eu adiciono na estrutura e eu posso fazer a boretação então adicionar boro na estrutura tá então a adição desses elementos na na em alta temperatura que aumenta a concentração da desse elemento eu faço né uma série de modificações na microestrutura muito interessante

o que que eu digo de de interessante bom no caso da da essa essa adição do material essa alta temperatura ele ocorre por difusão então a gente já viu lá no comecinho que a presença de defeitos na estrutura né ele aumenta a difusão do do material então quando eu tenho dois elementos diferentes próximos um do outro alta temperatura eu vou ter trocas né de de átomos por exemplo cobre com lqu eu vou ter átomos de de de ncleo vindo para dentro do cobre e átomos de cobre indo para dentro do ncleo né então eu vou

ter aqui uma uma região de interdifusão tá onde eu vou ter um gradiente de de cobre dentro do ncoo e um gradiente de nío dentro do cobre né E isso acontece com vários elementos de liga tá E essa difusão ela Depende do quê bom Ela depende da reatividade química dos dois elementos Depende por exemplo do tamanho dos elementos né ó geralmente o o o átomo quando é pequeno ele consegue difundir muito mais rápido para dentro da da outra estrutura tá então ar gênios né Ele montou um gráfico ele fez uma série de estudos né vendo

a difusão do de um elemento no outro como a gente tem por exemplo a a difusão do carbono dentro da estrutura CCC né do da ferrita tá ele tá tá aqui em cima ah quando eu mudo a estrutura né da da ferrita por exemplo PR estrutura austenítica né do CFC tá eu diminuo essa difusão Então dependendo da da estrutura que você tem você vai ter um coeficiente de difusão diferente e usando isso tá eu consigo fazer um estudo muito interessante por exemp ex no vocês vão encontrar um exemplo de aplicação onde eu tenho uma uma

peça de Aço né que ele tem 0,25% de carbono e eu quero aumentar a concentração de carbono na superfície desse aço tá então eu quero que por exemplo a meio MM né da da superfície do aço eu consigo atingir uma concentração de carbono de 0 88% bom Por que 0 88% quando eu tenho uma concentração baixa de carbono né se eu temperar esse aço dificilmente eu vou conseguir temperar esse aço direito eu vou conseguir obter uma estrutura martensítica boa porque ele tem pouco carbono mas se eu aumentar a concentração de carbono eu consigo temperar muito

mais fácil né então se eu aumentar a quantidade de carbono na nessa superfície eu vou conseguir temperar só a superfície desse material então Ah nesse tipo de de exemplo né ah eu tô colocando no no forno a 950 G com uma atmosfera né de e cheia de de carbono com ch4 né então eu tenho na na superfície do do material então uma concentração de carbono aí né na na atmosfera da em de 1,2 de carbono eu quero saber quanto tempo eu preciso deixar no forno para que a essa difusão do carbono dentro do material ele

consiga atingir essa concentração de 0 88% de carbono a meio MM de profundidade do do aço né então fazendo as contas né a gente tem ali a por exemplo a a difusividade do carbono né se a gente pegar a alta temperatura 950 G ele tá na estrutura austenita que é o CFC tá o CFC Então essa nessa curva 900 e poucos graus e vou ter aqui ó tá a o coeficiente de difusão daordem de 10 a-11 o tempo que eu vou precisar colocar esse material dentro do for esperar esse Mat for para ele atinja o

0 8% de carbono a meio MM espessura é da ordem de 7 horas então fazendo esse tratamento por 7 horas eu vou conseguir então obter a profundidade de 0,5 MM 08 carbono esse tipo de tratamento é muito interessante de fazer por exemplo em peças como uma engrenagem n essas engrenagens que a gente usa por exemplo dentro da da caixa de câmbio do do carro onde a engrenagem como ele sofre Impacto ele tem um forço ele precisa ter uma resistência Grande para transmitir o torque do carro e à medida que a gente acelera e dep ex

a gente freia onde as engrenagens bate o dente um no outro esses impactos tá de um dente no outro tá ele tem que ser absorvido ele não pode trincar então é interessante que esse material tenha um núcleo tenace um núcleo e macio né com alta tenacidade da fratura e que a superfície seja dura tá para resistir ao desgaste do material então O atrito de um de um dente no outro né Ah ele não vai ter um desgaste grande então vai ter uma durabilidade muito grande então uma superfície altamente dura e o núcleo tenaz tá então

esse tipo de de eh de composição a gente consegue fazer a gente consegue calcular e definir exatamente qual é espessura e qual gradiente de de concentração de carbono colocar nesse tipo de material [Música] [Música] e n