Aços Carbono

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    05-Jul-2015

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AOS CARBONOEquilbrio ferro-carbonoAlguns elementos qumicos apresentam variedades alotrpicas, isto , estruturas cristalinas diferentes que passam de uma para outra em determinadas temperaturas, denominadas temperaturas de transio. O ferro apresenta 3 variedades, conforme a seguir descrito. Ao se solidificar (temperatura de aproximadamente 1540C), o ferro apresenta estrutura cbica de corpo centrado, chamada de ferro delta (Fe ). Permanece nessa condio at cerca de 1390C e, abaixo desta temperatura, transforma-se em ferro gama (Fe ), cuja estrutura cbica de face centrada. Abaixo de 912C, readquire a estrutura cbica de corpo centrado, agora chamada de ferro alfa (Fe ). Continuando o resfriamento, a 770C ocorre o ponto de Curie, isto , ele passa a ter propriedades magnticas. Entretanto, isso no se deve a um rearranjo da disposio atmica, mas sim mudana do direcionamento da rotao dos eltrons (spin). Em outras pocas, tal fato no era conhecido e julgava corresponder a uma -se variedade alotrpica, o ferro beta. Ligado com o carbono, o comportamento das variedades alotrpicas do ferro e a solubilidade do carbono nele variam de forma caracterstica, dependendo da temperatura e do teor de carbono. Isso pode ser visto em forma de um grfico denominado diagrama de equilbrio ferrocarbono. Nos itens seguintes, definies dos termos usados no diagrama. Austenita: soluo slida do carbono em ferro gama. Ferrita: soluo slida do carbono em ferro alfa. Cementita: carboneto de ferro (Fe3 C). Grafita: variedade alotrpica do carbono (estrutura cristalina hexagonal).

Obs: prximas ao ponto marcado com (*), existem na realidade linhas de equilbrio com o ferro delta, mas elas no so exibidas por razes de clareza e de pouco interesse prtico.

Fig 01

A adio do carbono altera as temperaturas de transio das variedades alotrpicas em relao ao ferro puro, dependendo do seu teor. Exemplo: para um ao com cerca de 0,5% C, representado pela linha vertical I no diagrama, o ferro gama contido na austenita comea a se transformar em alfa na interseo com a linha A3 e est totalmente transformado no cruzamento com a linha A , a 727C, inferior aos 912C do 1 ferro puro. Importante lembrar que, abaixo de 727C, no pode haver ferro gama. Somente a variedade alfa est presente. O ponto F corresponde ao mximo teor de carbono que a austenita pode conter, isto , 2,11%. usado na distino do ao do ferro fundido, conforme definio vista em pgina anterior. A solubilidade do carbono na ferrita muito pequena (mximo 0,008%) e pode ser considerada nula em muitos casos prticos. O ponto E (eutetide) a menor temperatura de equilbrio entre a ferrita e a austenita, correspondendo a cerca de 0,77% C. E os aos podem ser eutetides, hipoeutetides ou hipereutetides. Obs: o termo euttico se refere ao equilbrio entre fases lquida e slida. Neste caso, usado o sufixo ide (= semelhante a) para indicar que o equilbrio ocorre entre fases slidas.

Fig 02 O teor de carbono do ao afeta o seu aspecto granulomtrico. Um ao com muito pouco carbono (por exemplo, menos de 0,01%), se resfriado lentamente, dever apresentar uma aparncia razoavelmente uniforme, pois a maior parte ser representada pela ferrita. Na Figura 02 (a), um possvel aspecto de uma microfotografia de um ao desse tipo. Supe-se agora um ao hipoeutetide com 0,5% de carbono, representado pela linha vertical I no diagrama. Quando o resfriamento atinge a interseo com A , comea a separao da 3 austenita em austenita e ferrita. Logo acima da linha A 1, haver ferrita mais austenita, esta ltima, com o mximo teor de carbono que pode conter (0,77%). Logo abaixo da linha A1, toda a austenita dever se transformar em ferrita mais cementita. Entretanto, desde que o processo rpido, fisicamente a separ ao se d em forma de lminas bastante finas, somente visveis ao microscpio com elevadas ampliaes. Tal estrutura, isto , a ferrita e a cementita em forma laminar, denominada perlita. Na figura 02 (b), a estrutura laminar tpica da perlita, observada com elevada ampliao (as linhas escuras correspondem cementita).

Fig 03 Na figura 03 (a), o aspecto tpico de um ao hipoeutetide visto com uma ampliao menor. As reas claras representam a ferrita e as escuras, a perlita. Entretanto, a estrutura laminar desta ltima no pode ser observada devido reduzida ampliao. Um ao hipereutetide (linha II no diagrama, com cerca de 1,5% C, por exemplo) tem, na interseo com A1, austenita com o mximo teor de carbono (0,77%) e cementita. A mudana brusca abaixo de A1 faz a austenita transformar-se em perlita conforme j visto. E a cementita envolve os gros de perlita em forma de uma teia conforme Figura 03 (b), formando uma espcie de rede de cementita. Um ao eutetide, isto , com 0,77% de carbono, deve apresentar somente perlita na sua estrutura granular. O teor de carbono exerce significativa influncia nas propriedades mecnicas do ao. Quanto maior, maiores a dureza e a resistncia trao. Entretanto, aos com e levados teores de carbono so prejudicados pela maior fragilidade devido maior quantidade de cementita, uma substncia bastante dura mas quebradia. comum o uso da expresso ao doce para aos de baixa dureza, com teores de carbono menores que 0,25%.

Efeito da velocidade de resfriamentoAs transformaes vistas no diagrama Fe-C pressupem velocidades de resfriamento bastante baixas, de forma que todos os rearranjos atmicos possam se completar. Mudanas importantes podem acontecer se o ao, sob temperatura acima de 727C, for bruscamente resfriado. As transformaes podem no se efetivar totalmente e outras podem ocorrer, afetando sensivelmente as propriedades mecnicas. O grfico da Figura 01 um exemplo aproximado para um ao eutetide, consi erado d inicialmente em temperatura na regio da austenita (acima de 727C, linha A) e posteriormente resfriado.

Fig 01 Essas curvas so conhecidas como TTT (tempo, temperatura, transformao). Exemplo: se rapidamente resfriado para T = 500C e mantido nessa temperatura, a transformao da austenita comea em t0 e termina em t1. Ou melhor, a curva vermelha marca o incio da transformao e a azul, o trmino. Na parte superior (de 700 at aproximadamente 560C) h formao de perlita, tanto mais fina (e dura) quanto menor a temperatura. Na parte inferior (de 560 at cerca de 200C) h formao de bainita (ferrita mais carboneto de ferro fino), de dureza maior que a perlita anterior e, de forma similar, mais dura em temperaturas mais baixas. Entretanto, na faixa de 200C, h formao de uma nova estrutura, a martensita, em forma de agulhas e bastante dura (superior s anteriores). A linha Horizontal Mi marca o incio e a Mf, o fim da transformao. A formao da martensita o princpio bsico da tmpera dos aos, isto , o tratamento trmico para aumentar a dureza. Entretanto, nem todos os aos admitem tmpera. Em geral, somente com teor de carbono acima de 0,3% e velocidade de resfriamento alta .

Tratamentos trmicosA tmpera, rapidamente comentada no tpico anterior, apenas um dos possveis tratamentos trmicos. De forma genrica, pode-se dizer que os tratamentos trmicos de aos (e tambm de outros metais) tm o objetivo de proporcionar alteraes de propriedades mecnicas, trmicas, qumicas, eltricas ou magnticas para atender os processos de fabricao ou as especificaes finais do produto. H uma variedade de tratamentos para, por exemplo, aumentar dureza e tenacidade, melhorar ductilidade e facilidade de trabalho, remover tenses residuais, refinar estrutura de gros, aumentar resistncia ao desgaste, melhorar resistncia corroso, etc. A tabela abaixo d um resumo dos principais tipos de tratamento para aos. Nos prximos tpicos, comentrios e informaes sobre os mais usuais.

Recozimento recozimento completo alvio de tenses esferoidizao

Normalizao

Tmpera tmpera e revenido convencionais austmpera martmpera

Endurecimento superficial cementao nitretao tmpera superficial carbo-nitretao ...

Recozimentos e normalizaoMuitas vezes, devido ao prprio processo de produo ou a trabalhos anteriores como deformaes, o ao apresenta dureza excessiva ou pouca maleabilidade e ductilidade, ou seja, condies inadequadas para operaes como usinagem, dobra e outras.

Fig 01 O recozimento tem a finalidade de modificar esses aspectos (reduzir dureza, melhorar ductilidade, etc) e tambm outros como remover gases dissolvidos, homogeneizar estrutura dos gros, etc. A Figura 01 ao lado o diagrama de transformao da austenita versus tempo do tpico anterior, acrescido da curva de resfriamento tpica do recozimento (linha contnua com seta). O processo consiste no aquecimento at temperatura acima da transformao d austenita a (linha tracejada superior) e resfriamento lento no prprio forno. A transformao da austenita ocorre na parte superior, produzindo, portanto, perlita de baixa dureza. Esse exemplo para um ao eutetide. Para um ao hipoeutetide, h tamb ferrita e, para m um hipereutetide ocorre a presena da cementita.

Fig 02 Alvio de tenses um processo geralmente feito sob temperaturas acima de 500C e inferiores da transformao da austenita e resfriamento ao ar. usado para eliminar tenses resultantes de operaes como deformaes a frio e soldas. A normalizao um procedimento similar ao recozimento, mas com resfriamento ao ar. Isso significa uma maior velocidade de resfriamento. A curva verde da Figura 02 d uma idia aproximada. A normalizao pode ser usada para obter uma boa ductilidade sem reduo significativa da dureza e da resistncia trao. Tambm para facilitar a usinagem e refinar a estrutura dos gros. um tratamento comum para aos-liga, antes da usinagem e de posteriores tratamentos como tmpera e revenido. Devido maior velocidade de resfriamento, aos normalizados tendem a ser menos dcteis e mais duros que os plenamente recozidos. As diferenas so significativas para teores acima de 0,5% de carbono.

Fig 03 A esferoidizao um processo normalmente usado com aos hipereutetides. Nesses aos, a perlita envolvida por uma rede