Tratamentos Térmicos: Quais os principais e para que servem?

Publicado por Materiais Júnior em novembro 7, 2019novembro 7, 2019

 A aplicação de tratamentos térmicos em ligas comerciais é muito corriqueira com o intuito de alterar a estrutura do metal e consequentemente suas propriedades. A clássica cena de filmes medievais, em que o ferreiro submerge a espada em forjamento em água é um exemplo de tratamento térmico, no caso, a têmpera.

Mas o que é um tratamento térmico?

O tratamento térmico é uma prática muito comum na metalurgia, em especial em ligas ferro-carbono. Caracteriza-se como o conjunto de processos, cuja finalidade é a melhoria das propriedades dos metais. Pode ser realizada de forma total, ou seja, em toda a peça ou de forma localizada, em apenas uma parte.

O princípio básico desse processo é a reorganização estrutural dos átomos, visando adequar os parâmetros para o melhor aproveitamento da peça metálica. Isto ocorre quando a esta passa por alterações de temperatura de forma controlada e pode aumentar a vida útil, melhorar as propriedades mecânicas e proporcionar maior proteção contra oxidações.

Os processos de tratamentos térmicos devem acontecer sob condições controladas de algumas variáveis técnicas. As principais são:

•         Temperatura: pode ser de aquecimento ou resfriamento
•         Tempo: O tempo, em temperatura, é importante para que se obtenha homogeneidade em toda a seção da peça.
•         Velocidade: Aquecimento ou resfriamento lento, moderado ou rápido a fim de alterar propriedades da peça.
•         Atmosfera:  Produto que envolve a peça dentro do forno quando está sendo tratada. Esta pode ser sólida, líquida ou gasosa.
•         Material: É a liga metálica envolvida.

Quais os objetivos por trás da realização de um tratamento térmico?

Basicamente, o tratamento térmico tem por finalidade melhorar as propriedades de peças metálicas, podendo-se “amolecer” ou “endurecer” uma peça de acordo com o que se deseja fazer. O tratamento térmico também auxilia nos seguintes aspectos:

•         Aumento da resistência mecânica;
•         Ajustes na Usinabilidade da peça;
•         Aumento na resistência ao desgaste;
•         Eliminação de tensões, evitando falhas;
•         Melhoria das características e aumento na vida útil de uma peça metálica.

Fases e Microconstituintes dos aços

Antes de abordarmos mais sobre os tratamentos térmicos e seus efeitos na microestrutura dos metais, vamos mostrar quais são as principais fases e microconstituintes dos aços. Naturalmente, outros materiais metálicos têm suas próprias estruturas, porém para facilitar a abordagem do tema, focaremos nos aços, que compreendem uma das ligas mais utilizadas na engenharia.

O diagrama Ferro-Carbono é essencial para compreender as mudanças microestruturais nos tratamentos térmicos.

Observando o diagrama de fases acima, percebemos que de acordo com a temperatura e a concentração de carbono na liga, o aço se encontra em diferentes fases, sendo que em muitas regiões há fases coexistentes. As principais fases são Ferrita (ferro-alfa), Austenita (ferro-gama) e Cementita (Fe3C). 

No diagrama, alguns pontos são cruciais e ditam o comportamento da microestrutura durante o resfriamento. Pelo fato de tratamentos térmicos envolverem difusão de átomos, o tempo (taxa de resfriamento) é importantíssimo para a determinação da estrutura final do material.

Diagrama de transformação isotérmica para liga ferro carbono. Fonte: Callister, 2008.

Ou seja, diversas características e variáveis são fundamentais para que o tratamento térmico seja executado de maneira correta, adaptado para a composição e alcançando a estrutura desejada. Cada elemento químico interfere de alguma na curva de transformação isotérmica de uma liga. A temperatura em que o tratamento ocorre e o tempo em que ela é mantida determinará qual microconstituinte final será obtido. Mas quais são as possibilidades?

Perlita: Consiste em camadas alternadas de ferrita e cementita, podendo ser dividida entre perlita grosseira e fina de acordo com a espessura das camadas de cementita. A perlita fina apresenta maior dureza e resistência, já que as fronteiras entre as camadas servem como uma barreira contra a deformação.

Bainita: Dentre as três, apresenta propriedades intermediárias. Composta por uma matriz de ferrita com partículas finas e alongadas de cementita.

Martensita: A mais dura, porém mais frágil. É obtida através de resfriamentos bruscos e precisa de tratamentos adicionais para ter aplicações viáveis. Sua microestrutura é em formato de agulhas, que dá essa característica frágil à martensita.

Principais tratamentos térmicos

Têmpera

Esse tratamento consiste no aquecimento de certo material até uma temperatura de aproximadamente 800 °C (completa austenitização) e em seguida resfriada bruscamente em água, óleo ou em meios de têmpera de composição química especial.

O objetivo do tratamento de têmpera é obter martensita na estrutura do aço, microconstituinte muito duro e frágil. Para tanto, as peças devem ser resfriadas rapidamente, para evitar a formação de ferrita, perlita, bainita, microconstituintes mais moles que a martensita.

A têmpera é um dos tratamentos mais comuns, e é o visto nas cenas de filmes em que o ferreiro mergulha a espada escaldante em um balde de água.

O sucesso da têmpera depende da composição da liga, do tipo e natureza da têmpera e tamanho/forma da amostra. O diagrama abaixo mostra como a taxa de resfriamento influencia na fase obtida após o tratamento.

Correlação da temperabilidade e do resfriamento contínuo para uma liga ferro carbono

Para a obtenção da martensita, é geralmente feita uma têmpera em água, pois permite que a taxa de resfriamento seja elevada. Esse processo precisa ser realizado com cautela para não gerar microtrincas na estrutura devido às diferentes taxas de resfriamento da parte externa e interna da amostra.

Revenimento

Após a realização da têmpera e obtenção da martensita, é realizado um aquecimento em temperaturas entre 250 e 650 ºC para eliminar tensões internas e aumentar a tenacidade e ductilidade sem grandes diminuições na dureza. Após esse processo, é obtido a martensita revenida, que é apropriada para uma gama maior de aplicações.

Durante esse processo, a fase martensítica supersaturada em carbono se transforma em uma microestrutura com matriz de ferrita com partículas de cementita dispersas. Essa estrutura é tão dura quanto a martensita, só que com maior tenacidade. O tamanho das partículas de cementita são fundamentais na definição das propriedades – quanto maiores, menor a dureza, mas maior a ductilidade.

Recozimento

Para chegarem à sua geometria desejada, as peças metálicas passam por diversos processamentos que incluem deformações a frio (cold working), como laminação, forjamento e extrusão. Esses procedimentos alteram a microestrutura dos metais, aumentando o número de discordâncias e elevando a resistência mecânica e a dureza ao custo de perda em ductilidade. Em muitos casos, isso é benéfico, mas em algumas aplicações, é desejável que o material apresente uma melhor ductilidade. Logo, é necessário reorganizar a estrutura dos grãos da peça para que ela alcance um desempenho mais satisfatório.

O recozimento, é o tratamento térmico no qual um material é exposto a uma temperatura elevada durante um longo período e posteriormente resfriado lentamente. Geralmente, esse processo é realizado para aliviar tensões, reduzir dureza, aumentar a ductilidade e tenacidade, bem como produzir uma microestrutura específica. 

O recozimento é realizado por meio de três etapas:

• Aquecimento até a temperatura desejada;
• Manutenção ou encharque nessa temperatura;
• Resfriamento lento, normalmente em temperatura ambiente ao ar ou dentro do forno desligado.

Essa implicação de diferentes gradientes de temperatura pode ocasionar empenamento e trincas no material, por isso o controle do processo e da taxa de resfriamento é essencial.

Uma das classes desse tratamento é o recozimento intermediário, utilizado para anular os efeitos da etapa à frio, com a finalidade de aumentar a tenacidade e ductilidade, resultando em uma granulometria fina. Outro exemplo é o recozimento pleno, empregado em aços com baixo e médio teor de carbono que serão usinados ou sofrerão extensa deformação plástica. O produto é a perlita grosseira e uma microestrutura de grãos pequenos e uniformes, relativamente macia e dúctil.

Normalização

A normalização do aço é empreendida quando se deseja refinar o grão do material, haja vista que aços com grãos grandes tendem a apresentar maior heterogeneidade de propriedades e maior fragilidade. O refino de grão garante maior homogeneidade e maior tenacidade.

O tratamento térmico de normalização é fundamentado no aquecimento do aço até 60 ºC acima do limite superior da zona crítica, sempre garantindo austenitização total do material. Em seguida é retirado do forno e deixado resfriar ao ar natural, resultando em uma estrutura de pequenos grãos de ferrita e perlita fina. Esse tratamento é bem mais barato que o de recozimento pleno, pois o forno pode ser desligado logo após o fim do período de austenitização.

Alívio de tensões

O aquecimento dos aços para alívio de tensões é feito para reduzir tensões residuais introduzidas por usinagem pesada ou conformação mecânica a frio. Muitas vezes é também chamado de recozimento subcrítico. Geralmente realizado em temperaturas subcríticas e através deste tratamento consegue-se aumentar a ductilidade, melhorar a usinabilidade, remover tensões residuais, através da redução da dureza, do limite de escoamento e do limite de resistência do material.

Muitas vezes é interessante determinar o tratamento aplicado em uma liga, e para isso, é necessário a realização de ensaios de microscopia e de uma análise metalográfica.

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