Tratamento térmico

Forno de tratamento térmico a 1.800 °F (980 °C)

Tratamento térmico é um grupo de processos industriais, térmicos e metalmecânicos usados para alterar as propriedades físicas e, às vezes, químicas de um material. A aplicação mais comum é a metalúrgica. Tratamentos térmicos também são usados na fabricação de muitos outros materiais, como o vidro. O tratamento térmico envolve o uso de aquecimento ou resfriamento, normalmente a temperaturas extremas, para atingir o resultado desejado, como endurecimento ou amolecimento de um material. As técnicas de tratamento térmico incluem recozimento, cementação, reforço por precipitação, têmpera, cementação, normalização e têmpera. Embora o termo tratamento térmico se aplique apenas a processos em que o aquecimento e o resfriamento são feitos com o propósito específico de alterar propriedades intencionalmente, o aquecimento e o resfriamento geralmente ocorrem incidentalmente durante outros processos de fabricação, como conformação a quente ou soldagem.

Processos físicos

Alótropos do ferro, mostrando as diferenças nas estruturas reticulares entre o ferro alfa (baixa temperatura) e o ferro gama (alta temperatura). O ferro alfa não possui espaços para a residência de átomos de carbono, enquanto o ferro gama está aberto à livre movimentação de pequenos átomos de carbono
Fotomicrografias de aço. Acima: No aço recozido (resfriado lentamente), o carbono precipita, formando camadas de ferrita (ferro) e cementita (carboneto). Abaixo: No aço temperado (resfriado rapidamente), o carbono permanece preso no ferro, criando grandes tensões internas nos grãos em forma de agulha ou placa

Materiais metálicos consistem em uma microestrutura de pequenos cristais chamados "grãos" ou cristalitos. A natureza dos grãos (ou seja, tamanho e composição dos grãos) é um dos fatores mais eficazes que podem determinar o comportamento mecânico geral do metal. O tratamento térmico fornece uma maneira eficiente de manipular as propriedades do metal, controlando a taxa de difusão e a taxa de resfriamento dentro da microestrutura. O tratamento térmico é frequentemente usado para alterar as propriedades mecânicas de uma liga metálica, manipulando propriedades como dureza, resistência, tenacidade, ductilidade e elasticidade.[1]

Existem dois mecanismos que podem alterar as propriedades de uma liga durante o tratamento térmico: a formação de martensita faz com que os cristais se deformem intrinsecamente, e o mecanismo de difusão causa alterações na homogeneidade da liga.[2]

A estrutura cristalina consiste em átomos que são agrupados em um arranjo muito específico, chamado de rede. Na maioria dos elementos, essa ordem se reorganizará, dependendo de condições como temperatura e pressão. Esse rearranjo, chamado alotropia ou polimorfismo, pode ocorrer várias vezes, em muitas temperaturas diferentes para um metal específico. Em ligas, esse rearranjo pode fazer com que um elemento que normalmente não se dissolveria no metal base se torne repentinamente solúvel, enquanto uma reversão da alotropia tornará os elementos parcial ou completamente insolúveis.[3]

Quando no estado solúvel, o processo de difusão faz com que os átomos do elemento dissolvido se espalhem, tentando formar uma distribuição homogênea dentro dos cristais do metal base. Se a liga for resfriada a um estado insolúvel, os átomos dos constituintes dissolvidos (solutos) podem migrar para fora da solução. Este tipo de difusão, chamado precipitação, leva à nucleação, onde os átomos migrantes se agrupam nos contornos dos grãos. Isso forma uma microestrutura geralmente consistindo de duas ou mais fases distintas.[4] Por exemplo, aço que foi aquecido acima da temperatura de austenitização (vermelho a laranja-quente, ou cerca de 1.500 °F (820 °C) a 1.600 °F (870 °C) dependendo do teor de carbono), e então resfriado lentamente, forma uma estrutura laminada composta de camadas alternadas de ferrita e cementita, tornando-se perlita macia.[5] Após aquecer o aço até a fase de austenita e então temperá-lo em água, a microestrutura estará na fase martensítica. Isso se deve ao fato de que o aço mudará da fase de austenita para a fase de martensita após a têmpera. Alguma perlita ou ferrita pode estar presente se a têmpera não resfriar rapidamente todo o aço.[4]

Ao contrário das ligas à base de ferro, a maioria das ligas tratáveis termicamente não sofre transformação ferrítica. Nessas ligas, a nucleação nos contornos de grão frequentemente reforça a estrutura da matriz cristalina. Esses metais endurecem por precipitação. Tipicamente, um processo lento, dependente da temperatura, frequentemente denominado "endurecimento por envelhecimento".[6]

Muitos metais e não metais apresentam uma transformação de martensita quando resfriados rapidamente (com meios externos como óleo, polímero, água, etc.). Quando um metal é resfriado muito rapidamente, os átomos insolúveis podem não ser capazes de migrar para fora da solução a tempo. Isso é chamado de "transformação sem difusão". Quando a matriz cristalina muda para seu arranjo de baixa temperatura, os átomos do soluto ficam presos dentro da rede. Os átomos presos impedem que a matriz cristalina mude completamente para seu alótropo de baixa temperatura, criando tensões de cisalhamento dentro da rede. Quando algumas ligas são resfriadas rapidamente, como o aço, a transformação de martensita endurece o metal, enquanto em outras, como o alumínio, a liga se torna mais macia.[7][8]

Referências

  1. ↑ ZIA, Abdul Wasy; Zhou, Zhifeng; Po-wan, Shum.; Lawrence Li, Kwak Yan (24 de janeiro de 2017). «The effect of two-step heat treatment on hardness, fracture toughness, and wear of different biased diamond-like carbon coatings». Surface and Coatings Technology. 320: 118–125. doi:10.1016/j.surfcoat.2017.01.089 
  2. ↑ Shant P. Gupta (2002). Solid state phase transformations. [S.l.]: Allied Publishers Private Limited. pp. 28–29 
  3. ↑ Robert W. Cahn; Peter Haasen, eds. (1996). Physical Metallurgy. 2. [S.l.]: Elsevier Science. pp. 10–11 
  4. ↑ a b Alvarenga, H. D.; Van de Putte, T.; Van Steenberge, N.; Sietsma, J.; Terryn, H. (8 de outubro de 2014). «Influence of Carbide Morphology and Microstructure on the Kinetics of Superficial Decarburization of C-Mn Steels». Metallurgical and Materials Transactions A. 46: 123–133. doi:10.1007/s11661-014-2600-y 
  5. ↑ Physical Metallurgy 1996
  6. ↑ Gupta 2002
  7. ↑ Physical Metallurgy 1996
  8. ↑ Gupta 2002

Bibliografia

  • Revista Internacional de Tratamento Térmico em Inglês
  • Reed-Hill, Robert (1994). Principles of Physical Metallurgy 3rd ed. Boston: PWS Publishing 
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