Princípio do tratamento térmico
Transformação do aço durante o aquecimento
Curva C
A curva C é uma ferramenta utilizada para analisar a transformação da microestrutura do aço carbono durante o resfriamento após seu aquecimento para formar austenita.
Existem dois métodos para resfriar o aço no processo de tratamento térmico:
- Transformação de resfriamento isotérmico: Este processo envolve o resfriamento do aço, que foi aquecido para formar austenita, a uma temperatura específica abaixo da linha A1 a uma taxa relativamente rápida e, em seguida, isolá-lo para permitir que a austenita sofra uma transformação estrutural a uma temperatura constante.
- Transição de resfriamento contínuo: Isso se refere à diminuição contínua da temperatura que ocorre ao longo do tempo durante o processo de resfriamento.
Na produção prática, o resfriamento contínuo é o método mais comumente utilizado.
1. Método de resfriamento do aço durante o tratamento térmico
Curva de transformação isotérmica de austenita sub-resfriada em aço eutetóide
a. Transição de alta temperatura
A austenita do aço eutetóide é resfriada a uma temperatura que varia de A1 a 550°C, resultando em uma estrutura perlita através do processo de transformação isotérmica. Esta transformação da austenita em perlita é resultado da nucleação e crescimento alternados de ferrita e cementita, conforme ilustrado na Figura 3-7.
Formação de perlita
Primeiramente, o núcleo dos cristais de cementita é formado no limite de grão da austenita.
O teor de carbono da cementita é maior que o da austenita, levando à absorção de átomos de carbono da austenita circundante.
Como resultado, o teor de carbono da austenita próxima é reduzido, criando condições para a formação de ferrita e convertendo esta parte da austenita em ferrita.
A baixa solubilidade de carbono da ferrita significa que o excesso de carbono deve ser transferido para a austenita adjacente à medida que ela cresce, fazendo com que o teor de carbono da região adjacente da austenita aumente e criando condições para a formação de nova cementita.
Através deste processo, a austenita é eventualmente totalmente transformada em uma estrutura perlita com camadas alternadas de ferrita e cementita.
A formação da perlita requer o movimento dos átomos de carbono, sendo que a distância do movimento determina a largura das lamelas da perlita. Em altas temperaturas, o movimento dos átomos de carbono é mais extenso, resultando em lamelas de perlita mais largas.
Por outro lado, em baixas temperaturas, os átomos de carbono têm dificuldade de se mover e, portanto, as lamelas de perlita são mais densas. A microestrutura transformada de 727°C a 650°C é perlita.
A estrutura obtida através da transformação entre 650°C e 600°C é conhecida como sorbita, também chamada de perlita fina. A transformação entre 600°C e 550°C resulta na formação da troostita, também conhecida como perlita muito fina.
Esses três tipos de estruturas perlitas são diferenciados apenas pelo espaçamento lamelar e não apresentam diferenças fundamentais.
b. Transição de temperatura intermediária
Os produtos da transformação isotérmica da austenita em aço eutetóide, desde o subresfriamento até uma faixa de temperatura de 550°C a 240°C, pertencem à estrutura bainita. A bainita superior é formada na parte superior desta faixa de temperatura, enquanto a bainita inferior é obtida na parte inferior. A bainita inferior melhorou a dureza e a resistência, bem como melhor plasticidade e tenacidade. No entanto, a bainita superior não tem aplicações práticas.
c. Transição de baixa temperatura
É altamente desafiador para os átomos de carbono na austenita se deslocarem abaixo de 240°C.
A austenita sofre apenas uma transformação isomórfica, mudando de uma estrutura cúbica de face centrada (ferro y) para uma estrutura cúbica de corpo centrado (ferro α).
Todos os átomos de carbono da austenita original permanecem na rede cúbica de corpo centrado, resultando em um ferro α supersaturado.
Esta solução sólida supersaturada de carbono em ferro α é chamada de martensita.
Austenita retida
Quando a austenita do aço eutetóide é resfriada a 240°C (MS), ela começa a se transformar em martensita.
À medida que a temperatura continua a cair, a quantidade de martensita aumenta enquanto a austenita sub-resfriada diminui.
Quando a temperatura atinge -50°C (MF), a austenita sub-resfriada se transformou completamente em martensita.
Assim, a estrutura entre MS e MF consiste em martensita e austenita retida.
Devido às variações no teor de carbono, a martensita apresenta duas formas.
A martensita com alto teor de carbono assume o formato de uma agulha, conhecida como martensita em forma de agulha.
A martensita com baixo teor de carbono, por outro lado, é semelhante a uma placa e é chamada de martensita semelhante a uma placa.
| Tecido | Teor de carbono (%) | Propriedades mecânicas | |||
| CDH | （Mpa） | ok J/cm2 |
Ψ（%） | ||
| Baixo carbono | 0,2 | 40~45 | 1500 | 60 | 20~30 |
| Alto carbono | 1.2 | 60~65 | 500 | 5 | 2~4 |
Tabela 4-5 comparação de propriedades do aço martensita de baixo carbono 15MnVB e do aço 40Cr temperado e revenido
| Grau de aço | 15MnVB40Cr |
| Estado | Estado de têmpera e revenido da martensita 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 |
(2) Resfriamento contínuo
Fig. 3-9 Curva de transformação de resfriamento do aço eutetóide
a. Resfriamento com forno
Quando a curva de resfriamento cruza com a linha inicial da transformação da perlita, começa a transformação da austenita em perlita.
Uma vez que a curva de resfriamento cruza com a linha final da transição, a transformação está completa.
Como resultado da transformação que ocorre na região da perlita, forma-se uma estrutura perlita.
b. Resfriamento ao ar
Como resultado da rápida taxa de resfriamento, a transformação ocorre na região da sorbita, produzindo ferrita como produto de transformação.
c. resfriamento de óleo
A curva de resfriamento cruza apenas com a linha inicial da transformação perlita (na zona de transformação troostita), mas não cruza com a linha final.
Como resultado, apenas uma parte da austenita é transformada, resultando na formação de troostita como produto de transformação. A porção restante da austenita se transforma em martensita após o resfriamento até a linha MS.
Finalmente, obtém-se uma estrutura mista de martensita e troostita.
Refere-se ao produto que foi resfriado em óleo.
d. Resfriamento a água.
Devido à rápida taxa de resfriamento, a curva de resfriamento não cruza com a linha inicial da transformação da perlita.
Quando resfriada abaixo da linha inicial para a transformação da martensita, a austenita se transformará em martensita.
Comparação entre curva de resfriamento contínuo e curva C isotérmica
A curva de resfriamento contínuo está localizada na parte inferior direita da curva C isotérmica, com menor temperatura de transformação de P e maior duração.
O aço eutetóide e hipereutetóide tem uma linha de terminação de transformação P, mas nenhuma transformação do tipo B durante o resfriamento contínuo.
Para o aço hipoeutetóide, o subresfriamento em uma faixa específica de temperatura durante o resfriamento contínuo pode resultar na transformação parcial em B.
Determinar a curva de transformação de resfriamento contínuo é um desafio, por isso muitos aços ainda carecem dessa informação.
No tratamento térmico prático, o processo de transformação de resfriamento contínuo é frequentemente estimado com referência à curva C.
Comparação da curva TTT e da curva CCT do aço carbono eutetóide
Curva TT de aços hipoeutetóides e hipereutetóides
2. Temperabilidade do aço
(1) Conceito de temperabilidade
A dureza do aço refere-se à profundidade em que o aço pode ser endurecido durante a têmpera, que é uma característica do aço.
Durante a têmpera, a taxa de resfriamento varia em diferentes seções da peça.
A superfície esfria na taxa mais rápida, ultrapassando a taxa de resfriamento crítica para a formação de martensita. Como resultado, uma estrutura martensítica é formada após a têmpera.
À medida que a taxa de resfriamento diminui em direção ao centro, se a taxa de resfriamento a uma certa profundidade da superfície cair abaixo da taxa crítica de resfriamento necessária para a formação de martensita no aço, então a peça de trabalho não endurecerá totalmente, pois haverá um não- estrutura martensítica presente após a têmpera.
(2) Efeito da temperabilidade nas propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas dos aços com boa temperabilidade são uniformes em toda a seção, enquanto as dos aços com baixa temperabilidade variam ao longo da seção. As propriedades mecânicas, principalmente a tenacidade, diminuem à medida que você se aproxima do centro.
Fig. 5-53 comparação de propriedades mecânicas de aços com diferentes temperabilidades após tratamento de têmpera e revenido
a) Eixo endurecido
b) Eixo não endurecido
(3) Determinação e expressão de temperabilidade
Existem vários métodos para determinar a temperabilidade. O método mais utilizado, conforme especificado em GB225, é o teste de têmpera final para aço estrutural. Este teste mede a espessura da camada endurecível.
Outra medida de temperabilidade comumente usada é o diâmetro crítico. Este valor representa o diâmetro máximo da estrutura semimartensítica (50%) que pode ser alcançado no centro do aço após têmpera em meio de resfriamento. É denotado como Do.
Método de têmpera superior
Diâmetro crítico de têmpera
