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Processos Metalúrgicos
PROF.: KAIO DUTRA
AULA 7-8 – DIAGRAMA TTT E TRATAMENTOS TÉRMICOS
Diagrama TTT (Transformação –Tempo – Temperatura)
Um◦ dos fatores mais importantes queinfluenciam a posição das linhas detransformação, ou seja, a própria transformaçãoda austenita, a velocidade de resfriamento.De◦ fato, se a velocidade aumentar, haverá umafastamento das condições de equilíbrio e asreações de transformação tendem a modificar-se. Como a alteração do reticulado cristalino doferro gama e ferro alfa depende damovimentação atômica, esta não se completa e,em consequência, os constituintes normaisresultantes da transformação da austenita comoa perlita deixam de formar-se ou até mesmo demsurgir novos constituintes estruturais.
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Diagrama TTT◦ O estudo experimental, que pode ser facilmente
reproduzido em laboratório, consiste no seguinte:corpos de prova de aço de dimensões pequenas,para que, quando resfriados a diferentesvelocidades, o resfriamento se dê ao mesmotempo através de toda a sua seção, são aquecidosa temperatura acima da zona crítica, de modo aapresentarem a estrutura austenítica. A seguir,sao rapidamente mergulhados em banho líquido(sal ou chumbo fundido), a temperaturas variáveisabaixo da zona crítica. São mantidos a essastemperaturas durante os tempos necessários paraque a austenita se transforme nos produtosnormais (ferrita mais perlita, somente perlita, ouperlita mais cementita)
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Diagrama TTTCom◦ os dados obtidos,pode-se construir odiagrama temperatura -tempo. Esse diagrama échamado transformaçãoisotérmica.
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% d
a γ
tran
sfo
rmad
a em
p
erlit
a
Tempo (s)
10 102 103 104 105
100
50
0Ttrans = 675ºC
Austenita instável
Austenita estável
Perlita
675650
Temperatura eutetóide(727 ºC)
Final da transformação
Ttrans = 650ºC
10 102 103 104 1051
Tem
per
atu
ra (
ºC)
700
600
500
400
Curva de início (~0% de perlita)
Curva 50% de conclusão
Curva de conclusão (~100% de perlita)
1Início da transformação
?
Aço EUTETÓIDE
Tempo (s)
Diagrama TTTNa◦ faixa superior de temperatura, o início datransformação da austenita (curva I) é lento,assim como o fim. A estrutura resultante éperlita, de granulação grosseira, chamadaperlita grossa, com baixa dureza, variável de 5 a20 Rockwell C, os valores mais elevadoscorrespondendo aos níveis mais baixos detemperatura;
◦ À medida que a temperatura decresce, ademora para início e fim de transformação émenor; a granulação da perlita vai se tornandomais fina, originando-se a estrutura chamada"perlita fina", com dureza cada vez maiselevada. Os seus valores podem chegar a 40-45Rockwell C;
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Transformação austenita → perlita
Perlita grosseira
Austenita (estável) 727 ̊C
Perlita fina
C DB
TEM
PER
ATU
RA
(⁰C
)TEMPO (s)
700
600
500
1 10 102 103 104 105
1 s 1 min 1 h 1 dia
γ
γ
γ
γ
γ
γ
A
Diagrama TTT◦ Em torno de 550°C (aço eutetóide), ocorre o
menor tempo para início e fim de transformação.Esse ponto corresponde ao chamado "joelho" ou"cotovelo" das curvas em C.
◦ A partir dessa temperatura começa novamente aaumentar o tempo para a transformação daaustenita iniciar-se e completar-se; surge, nasfaixas de temperaturas correspondentes, um novoconstituinte a "bainita" (em homenagem a Bain)completamente diferente de perlita. Trata-se deuma estrutura cujo aspecto varia desde umagregado de ferrita em forma de pena e umcarboneto muito fino (em torno de 450°C), até umconstituinte em forma de agulhas (em torno de200°C), com coloração escura. A dureza desseconstituinte é elevada, variando de 50 a 60Rockwell C;
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Bainitainferior
Bainitasuperior
B
P
A
A
A B+
A + P
A
Perlita fina
Perlita grossa600
700
500
400
300
200
1 10 102 103 104 105
TEM
PER
ATU
RA
(⁰C
)TEMPO (s)
?
: Austenita
: Perlita
: Bainita
A
B
P
727 ºC
Diagrama TTT◦ Finalmente, nos níveis mais baixos de
temperatura, na faixa aproximada de 200°Ca 100°C, ocorre uma nova transformação, aqual independe do tempo, como as linhashorizontais Mi e Mf estão indicando. Surgemais um novo constituinte a "martensita"cuja formação brusca começa na linha Mi etermina na linha Mf. Esse constituinteapresenta-se em forma de agulhas, comcoloração clara. Sua dureza é muito elevada:65 a 67 RC.
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TEM
PER
ATU
RA
(⁰C
)
800
700
600
500
400
300
200
100
1 10 102 103 104 105
TEMPO (s)
B
P
B
P
AA
A
A
M
M
M
(início)
(50%)
(90%)
+
+
727 ºC
A
B
P
M
: Austenita
: Perlita
: Bainita
: Martensita
Diagrama TTTSabe◦ -se que a estrutura cristalina damartensita é tetragonal compacta enão cubica. Essa estrutura está sujeitaa elevadas microtensoes e apresenta-se supersaturada de carbono.
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Diagrama TTT◦O diagrama ao ladocorresponde a um açohipoeutetóide.
◦Observa-se uma nova curvaFi; ela indica que natransformação da austenita,forma-se em primeiro lugarferrita.
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Diagrama TTT◦O diagrama ao ladocorresponde a um açohiperutetóide.
◦Observa-se uma nova curvaCi que indica natransformação da austenita,forma-se inicialmente acementita.
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Diagrama TTT◦A figura refere-se a um açocom 0.37%C, 0,68%Mn e3,41%Ni.
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Diagrama TTT◦A figura indica um açocontendo 0,42%C, 0,78%Mn,1,79%Ni, 0,80%Cr e 0,38%Mo.Note-se o efeito doselementos de liga na forma eposição das curvas.
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Diagrama TTT◦A figura mostra o aspecto dascurvas para um ferro fundido decomposição equivalente a3,75%C, 290%Si, 0,55%Mn,0,40%P e 0,065%S.
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Diagrama TTTResfriamento Contínuo
◦ Na prática, a grande maioria das operaçõesde tratamento térmico aplicada nas ligasferrosas, consiste em resfriamento contínuo.
◦ Desenvolveram-se os diagramas pararesfriamento contínuo, obtidos porintermédio da mesma técnica utilizada notraçado das curvas isotérmicas, ou seja, emvez de detectar-se as estruturas obtidas porresfriamentos bruscos em vários níveis detemperaturas, os corpos de prova sãodeixados resfriar continuamente e oresfriamento é interrompido às temperaturasescolhidas.
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TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
800
700
600
500
400
300
200
100
1 10 102 103 104 105
TEMPO (s)
M
M
(início)
(50%)
(90%)
TRCTTT
M
III
727 ºC
Diagrama TTTResfriamento Contínuo
As◦ curvas obtidas têm a formarepresentada na figura, nota-seque, como seria de esperar,somente podem ser traçadascurvas na parte superior dodiagrama, correspondente àformagão das várias formas deperlita.
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Diagrama TTTResfriamento Contínuo
◦Abaixo do joelho ou cotovelo nãoexistem curvas para resfriamentocontínuo, não sendo possível, pelomenos para os aços-carbono, obter-seestrutura bainítica.
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Tem
per
atu
ra (ºC
)
Tempo (s)
700
600
500
400
300
200
100
1 10 102 103 104 105
M
M
M
(início)
(50%)
(90%)
35 ºC/s140 ºC/s
Diagrama TTTResfriamento Contínuo
Para◦ aços liga como o 4340, é possívelobter estrutura bainítica comresfriamento contínuo, como mostrao diagrama.
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TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
800
700
600
500
400
300
200
100
1 10 102 103 104 105
TEMPO (s)
106
Austenita → Martensita
Austenita → Bainita
Joelho da bainita
Taxa de resfriamento
crítico
Temperatura eutetóide
Austenita → Perlita
M M+B M+F +B
M+F +P+B
F +P
M (início)
Diagrama TTTResfriamento Contínuo
◦ A estrutura martensítica é,contudo, formada da mesmamaneira que para resfriamentoisotérmico.
◦ As curvas superiores dodiagrama para resfriamentocontínuo assemelham-se àscurvas para resfriamentoisotérmico, apresentando apenasum ligeiro deslocamento parabaixo, como é demonstrado.
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Diagrama TTTEfeito da Seção das Peças
Ao◦ tratar-se termicamente peças metálicas, as condiçõesou velocidades de resfriamento são diferentes através desua seção: obviamente, as camadas superficiais resfriammais rapidamente, o contrário acontecendo com o seunúcleo.
Assim◦ sendo, as transformações da austenita podem darorigem a produtos diferentes no centro das peças, emcomparaçao com sua superfície
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Diagrama TTTFatores que Influem nas linhas em C
Da◦ mesma maneira qua ocorre com as linhas de transformaçãoou zona crítica do diagrama de aquilíbrio Fe-C, a posição daslinhas em C do diagrama de transformação isotérmica éinfluenciada por diversos fatores. Esses fatores são os seguintes:◦ Composição química;
◦ Tamanho de grão;
◦ Homogeneidade da austenita.
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Diagrama TTTFatores que Influem nas linhas em C
◦Composição química: O carbono e os elementos de liga tendema deslocar as curvas em C para a direita, ou seja, retardar atransformação da austenita.
◦A única exceção conhecida é o cobalto.
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Diagrama TTTFatores que Influem nas linhas em C
◦ Tamanho de grão: Admitindo-se dois grãos deaustenita de tamanhos diferentes e admitindo-se ainda que a transformação da austenitacomece nos contornos dos grãos e ao mesmotempo, é claro que no grão menor atransformação se completa em um tempomais curto. O tamanho de grão, portanto,tende a deslocar as curvas em C para a direita.
◦ Em princípio, se o tamanho de grão maiorretarda a transformação da austenita, issosignifica que essa condição é mais favorávelnos tratamentos térmicos.
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Diagrama TTTFatores que Influem nas linhas em C
Homogeneidade◦ da austenita: A austenita, quanto menoshomogenea, ou seja, quanto maior a quantidade de carbonetosresiduais ou de áreas localizadas ricas em carbono, confere atendência de acelerar o início e o fim das reações detransformação, isto é, deslocar as curvas em C para a esquerda.
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Diagrama TTTTemperabilidade
◦ Uma das primeiras conclusões que sepode tirar do estudo das curvasisotérmicas é que a obtenção daestrutura martensítica, extremamentedura e necessária em muitos empregosdos aços em construção mecánica, exigeum resfriamento muito rápido, de modoque a curva de esfriamento não toque acurva de início de transformação ou,quando muito, tangencie. A velocidadeque corresponde a essa curva é chamadade velocidade crítica de esfriamento.
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Diagrama TTTTemperabilidade
Geralmente,◦ entretanto, não basta que setenha a formação da martesita, ou seja,endurecimento do aço, apenassuperficialmente. É necessário que oendurecimento seja profundo ou total àsvárias profundidades abaixo da superfície.Chama◦ -se temperabilidade à capacidade doaço endurecer ou à profundidade deendurecimento.
◦ O conhecimento e a determinação datemperabilidade dos aços são, portanto,muito importantes, pois o que se procura,geralmente, é que o material endureça àmáxima profundidade possível.
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Tratamentos Térmicos◦ As ligas ferro-carbono, antes de serem
utilizadas na forma de peças, são, na maioriados casos, principalmente quando aplicadasem construção mecânica, submetidas atratamentos térmicos ou a tratamentostermoquímicos.
◦ No primeiro caso, visa-se modificar aspropriedades das ligas, sobretudo asmecânicas, ou aliviar as tensões e restabelecera estrutura cristalina normal.
◦ Os aços, dentre as ligas ferrosas, são osmateriais mais comumente submetidos aesses tratamentos.
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Tratamentos TérmicosRecozimento
Seus◦ objetivos são os seguintes:◦ Remover tensões devidas a tratamentos
mecânicos;◦ Diminuir a dureza;◦ Aumentar a ductilidade;◦ Regularizar a textura bruta de fusão;
Eliminar◦ o efeito de quais quer tratamentostérmicos ou mecânicos a que o aço tenha sidosubmetido anteriormente.
◦ A estrutura resultante do recozimento éferrita mais perlita, se o aço forhipoeutetóide, perlita mais cementita, se oaço for hipereutetóide e somente perlita, sefor eutetóide.
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Tratamentos TérmicosRecozimento
No◦ aquecimento para o recozimento, atemperatura deve situar-se a mais oumenos 50°C acima do limite superior dazona crítica (linha A3) para os açoshipoeutetóides e acima do limite inferiorda zona crítica (linha A1) para os açoshipereutetóides. Nesses últimos aços,procura-se não ultrapassar a linha A3,porque no resfriamento lento que sesegue pode ocorrer a formação, noscontornos dos grãos da austenita, de uminvólucro continuo e frágil de carbonetos,conferindo fragilidade aos aços.
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Tratamentos TérmicosRecozimento
◦ Para evitar-se o tempo muito longo exigido pelorecozimento, pode-se substituir o recozimentocomum pelo "recozimento isotérmico ou ciclico"em que o aquecimento é realizado nas mesmascondições que no recozi mento comum, mas oesfriamento é dividido em duas etapas:esfriamento rápido até uma temperatura situadana parte superior do diagrama de trans- formaçãoisotérmica, ai permanecendo o material duranteo tempo necessirio para que a austenita setransforme nos produtos normais detransformação; a segunda etapa consiste noesfriamento até a temperatura ambiente, depoisde completada a transformação da primeiraetapa.
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Tratamentos TérmicosRecozimento
◦Outro tipo de recozimento é o para alivio de tensões, em que oaquecimento é feito a temperaturas abaixo da zona critica. Seuobjetivo é apenas aliviar as tensões originadas em processos deconformação mecânica, soldagem, corte por chama, usinagem,etc.
◦A tabela apresenta alguns exemplos típicos de ciclos derecozimento para alívio de tensões.
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Tratamentos TérmicosRecozimento
Finalmente◦ , deve-se considerar o"recozimento em caixa" aplicadoprincipalmente em chapas e tiras de açolaminadas a frio; consiste em colocar-seessas peças em recipientes vedados nointerior do fomo. o aquecimento deve serlento e a temperatura varia de 600°C a 700°C
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Tratamentos TérmicosRecozimento
◦No caso dos ferros fundidos, o recozimento é aplicado quando sedeseja:◦ No ferro fundido branco, reduzir tensões e melhorar as propriedades mecânicas.
◦ No ferro fundido cinzento, melhorar a usinabilidade do material, além de aliviar astensões originadas durante o resfriamento das peças fundidas.
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Tratamentos TérmicosNormalização
◦ Os objetivos danormalização são identicosaos do recozimento, com adiferença de que se procuraobter uma granulação maisfina e, portanto, melhorespropriedades mecánicas. Ascondições de aquecimentodo material são identicas àsque ocorrem norecozimento, porém oresfriamento é mais rápido:ao ar.
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TEM
PER
ATU
RA
(°C
)
800
700
600
500
400
300
200
100
1 10 102 103 104 105
TEMPO (s)
M
M
(início)
(50%)
(90%)
TRCTTT
M
III
I Recozimento pleno:
Perlita grosseira
II Normalização:
Perlita fina
727 ºC
Tratamentos TérmicosNormalização
◦A estrutura obtida é a mesmada obtida no recozimento,porém mais uniforme e fina.
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Tratamentos TérmicosNormalização
◦A normalização é ainda utilizada como tratamento preliminar àtempera e revenido, justamente porque, sendo a estruturanormalizada mais homogênea que a de um aço laminado, porexemplo, reduz-se a tendencia ao empenamento e facilita-se asolução de carbonetos e elementos de liga, principalmentequando o aço é ligado.
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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento
◦ O objetivo fundamental da têmpera dasligas ferro-carbono é obter uma estruturamartensítica, o que exige resfriamentorápido, de modo a evitar-se atransformação da austenita em seusprodutos normais.Em◦ resumo: na têmpera, aquece-se o açoacima de sua zona crítica, durante otempo necessário, em função da seçãodas peças, seguido de resfriamentorápido em um meio como o óleo, água,salmoura ou mesmo ar.
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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento
◦No resfriamento que se segue, aestrutura será constituída demartensita e dos mesmos carbonetossecundários, os quais, possuindodureza elevada, não apresentamqualquer inconveniente, pois o que sevisa exatamente na tempera é obter amáxima dureza.
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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento
Admite◦ -se que a martensita apresentauma estrutura tetragonal compacta,resultante de um movimento de átomosem planos específicos da austenita. Essaestrutura, além de estar supersaturadade carbono, pode apresentar particulasde carbonetos grandemente dispersas ecaracteriza-se por estar em estado deelevadas tensões; o reticulado damartensita apresenta-se aindadistorcido.
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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento
◦O estado de altas tensões, adistorção do reticulado e adureza extremamente elevadada martensita constitueminconvenientes que devem seratenuados ou corrigidos. Paraisso, submete-se o açotemperado à operação derevenimento.
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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento
◦ O revenido visa, portanto, corrigir osexcessos da tempera ou, em particular,aliviar, senão eliminar totalmente, astensões e corrigir a excessiva dureza econsequente fragilidade do material,melhorando sua ductilidade eresistência ao choque.
◦ A operação de revenido é realizada noaço temperado, imediatamente após atempera, a temperaturas abaixo dazona crítica. A temperatura seráescolhida de acordo com os resultadosfinais desejados: aliviar apenas astensões ou eliminá-las completamentee produzir redução de certo modoapreciável da dureza.
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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento
Originam◦ -se, conforme as faixas deaquecimento da martensita, trans-formações estruturais, as quaisdeterminam as propriedades finaisdo material.
◦O gráfico mostra o efeito datemperatura de revenico sobre adureza e a resistência ao choque deum aço-carbono temperado.
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Tratamentos TérmicosTempera e Revenimento - Fofo
◦ Objetivam, como no caso de aços, aumentar a resistência mecânica, adureza e a resistência ao desgaste.
◦ O material é aquecido acima da zona crítica, a temperaturas edurante tempos que dependem muito da composição do ferrofundido.
◦ O resfriamento é realizado geralmente em óleo ou ao ar em ferrosfundidos cinzentos altamente ligados.
◦ O revenido, após a têmpera, reduz a fragilidade, alivia as tensões,diminui a dureza e melhora a tenacidade. As temperaturas derevenido variam de 370°C a 600°C, as mais elevadas aplicando-se aferros fundidos cinzentos ligados.
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Tratamentos TérmicosTempera Superficial
◦ Essa operação tem por objetivoproduzir um endurecimentosuperficial, pela obtenção demartensita apenas na camada externado aço.
◦ É aplicado em peças que, pela suaforma e dimensões, são impossíveisde temperar inteiramente, ou quandose deseja alta dureza e alta resistênciaao desgaste superficiais, aliadas a boaductilidade e tenacidade no núcleodas peças.
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Tratamentos TérmicosTempera Superficial – Por chama
◦É um tratamento rápido que, alémdisso, não exige fornos deaquecimento.
Em◦ função da fonte de aquecimento, atêmpera superficial compreende doisprocessos:◦ Têmpera por chama;
◦ Têmpera por indução.
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Tratamentos TérmicosTempera Superficial – Por chama
◦A superfície a ser endurecida é rapidamente aquecida àtemperatura de austenitização por intermédio de uma chama deoxiacetileno e é logo a seguir esfriada por meio de um borrifo deágua.
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Tratamentos TérmicosTempera Superficial – Por Indução
◦ O calor é gerado na própria peça porindução eletromagnética, utilizando-se,para isso, bobinas de indução através dasquais flui uma corrente elétrica.
Pode◦ -se controlar a profundidade deaquecimento pela forma da bobina,espaço entre a bobina de indução e apeça, taxa de alimentação da forçaelétrica, frequência e tempo deaquecimento.
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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos
◦O conhecimento dos diagramas de transformação isotérmicapermitiu desenvolver novos tipos de tratamentos térmicos,visando um deles em particular, a obtenção da estrutura bainita.
◦Os dois tratamentos isotérmicos mais importantes são:◦ Austêmpera;
◦ Martêmpera.
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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Austêmpera
Consiste◦ no aquecimento do aço atemperaturas acima da crítica,seguido de esfriamento rápido demodo a evitar a transformação daaustenita, até o nível detemperaturas correspondentes àformação de bainita. O aço émantido a essa temperatura otempo necessirio para que atransformação da austenita embainita se complete.
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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Austêmpera
◦A bainita é uma estrutura que, de ummodo geral, substitui uma estruturamartensítica revenida.
Entre◦ as vantagens, deve-se mencionar ofato de que as tensões internasresultantes no processo são muitomenores, não ocorrendo praticamentequalquer empenamento das peçastratadas.
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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Martêmpera
◦ Na mantémpera o objetivo é obter martensita,como na têmpera. Entretanto, o tratamento difereda tempera comum, porque, ao atingir, noresfriamento, a lintua Mi de início de formação damartensita, o resfriamento é retardado, de modoa que esta se forme mais lentamente. O meio deresfriamento deve ser mantido a umatemperatura correspondente à linha Mi ou poucoacima. O material é mantido nessa temperatura,durante um tempo suficiente para que ela fiqueuniforme através de toda a sua seção. Emseguida, as peças são resfriadas ao ar.
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Tratamentos TérmicosTratamentos Isotérmicos - Martêmpera
◦ A formação da martensita se dáde modo uniforme através detoda a seção da peça e evita-seo aparecimento de quantidadeexcessiva de tensões internas.
◦ O tratamento de martêmperadiminui o risco deempenamento das peçasdurante o tratamento.
◦ As propriedades de um açomartemperado e revenido sãoidénticas às de um açotemperado e revenido.
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