Quais são os quatro tipos de tratamento térmico no aço?

Os quatro fundamentos tipos de tratamento térmico aplicados ao aço são recozimento, normalização, têmpera (têmpera) e revenido. Esses processos térmicos controlados manipulam a estrutura cristalina interna do metal para obter propriedades mecânicas específicas – como dureza, ductilidade, resistência à tração e resistência ao impacto – sem alterar a composição química. De acordo com a ASM International Heat Treating Society, o tratamento térmico é a tecnologia central por trás de quase todos os produtos metálicos duráveis, desde engrenagens automotivas e ferramentas cirúrgicas até vigas I estruturais. Entendendo exatamente o que esses quatro tipos de heat treatment são e como funcionam permite que os engenheiros selecionem o ciclo correto para evitar fraturas frágeis, melhorar a usinabilidade ou maximizar a resistência ao desgaste para uma aplicação específica.

1. Recozimento: suavizando o metal e aliviando o estresse interno

O recozimento é um processo de tratamento térmico que amolece o aço, melhora sua ductilidade e alivia tensões internas, aquecendo o metal a uma temperatura elevada específica, mantendo-o ali por tempo suficiente para que ocorram transformações de fase e, em seguida, resfriando-o extremamente lentamente, geralmente dentro do próprio forno. O objetivo principal do recozimento é levar o aço ao seu estado mais macio possível, facilitando a usinagem ou a conformação a frio. Para aços carbono simples, a temperatura de recozimento é normalmente 30°C a 50°C (50°F a 90°F) acima da temperatura crítica superior (A3) , que varia de cerca de 723°C para aço eutetóide a mais de 910°C para aço de baixo carbono. O aço é mantido a esta temperatura, muitas vezes durante uma a duas horas por polegada de secção transversal, permitindo que o carbono se dissolva uniformemente na fase de austenite. O resfriamento subsequente é a característica definidora do recozimento: deve ser lento o suficiente para permitir que o carbono se difunda para fora da rede de ferro e forme camadas grosseiras e amplamente espaçadas de ferrita e cementita, conhecidas como perlita. As taxas de resfriamento são normalmente 10°C a 50°C por hora , muitas vezes conseguido simplesmente deixando as peças no forno e permitindo que esfriem juntas durante muitas horas ou até dias. A microestrutura resultante é uma perlita grosseira com grandes áreas de ferrita macia, que exibe uma dureza Brinell tão baixa quanto 120 a 150 HB em aços de médio carbono como AISI 1045. De acordo com o Manual ASM Volume 4: Tratamento Térmico , o recozimento não apenas reduz a dureza, mas também elimina as tensões residuais do trabalho a frio ou soldagem anterior, o que é fundamental para evitar empenamento durante a usinagem ou serviço subsequente. Além do recozimento completo, existem variantes especializadas: o recozimento esferoidizante produz uma estrutura de partículas de metal duro esferoidais para máxima conformabilidade em aços-ferramenta com alto teor de carbono, enquanto o recozimento de processo é um tratamento de temperatura mais baixa aplicado a aços com baixo teor de carbono durante sequências de trabalho a frio para restaurar a ductilidade entre passes de trefilação ou laminação. Independentemente do método específico, o recozimento é sempre o ponto de partida quando é necessária extrema trabalhabilidade ou alívio de tensões, e é um dos métodos mais utilizados. tipos de heat treatment em indústrias de fabricação pesada.

2. Normalização: Refinando a Estrutura do Grão para Uniformidade e Resistência

A normalização é um processo de tratamento térmico que produz uma microestrutura uniforme e de granulação fina com resistência e tenacidade melhoradas em comparação com o aço recozido, aquecendo o metal acima de sua faixa crítica e depois resfriando-o em ar parado, em vez de no forno. A temperatura de aquecimento para normalização é normalmente 30°C a 50°C acima da temperatura crítica superior , semelhante ao recozimento, mas a distinção crucial está na fase de resfriamento. Após uma imersão suficiente, o aço é removido do forno e deixado esfriar em ar ambiente parado. Este resfriamento a ar é significativamente mais rápido que o resfriamento do forno, resultando em uma estrutura perlita mais fina com grãos menores. O tamanho do grão fino é importante porque aumenta simultaneamente o limite de escoamento e a tenacidade, enquanto a maioria dos mecanismos de reforço trocam um pelo outro. Para um aço AISI 1045 normalizado, a resistência à tração normalmente atinge cerca de 620 MPa (90.000 psi) , que é substancialmente superior aos 500 MPa típicos do mesmo aço na condição totalmente recozido. De acordo com pesquisa publicada pela Jornal de Engenharia e Desempenho de Materiais , a normalização também homogeneiza a microestrutura em componentes fundidos ou forjados que podem ter sofrido resfriamento não uniforme durante a solidificação, garantindo assim propriedades mecânicas consistentes em toda a peça. A normalização é frequentemente especificada como o tratamento térmico final para aços estruturais que não requerem a dureza extrema de uma condição temperada e revenida, bem como uma etapa preparatória antes do endurecimento, porque uma estrutura de grão uniforme responde de forma mais previsível à têmpera subsequente. Entre os quatro tipos de heat treatment , a normalização ocupa o meio-termo entre o estado macio e dúctil produzido pelo recozimento e o estado duro e quebradiço produzido pela têmpera, tornando-a uma excelente escolha para componentes que precisam de um equilíbrio entre resistência e tenacidade, como rodas ferroviárias, eixos e placas de vasos de pressão.

3. Endurecimento (têmpera): Alcançando máxima dureza e resistência ao desgaste

O endurecimento, também chamado de têmpera, é um tratamento térmico que aumenta drasticamente a dureza e a resistência do aço, aquecendo-o até a faixa austenítica e depois resfriando-o rapidamente em água, salmoura, óleo ou ar forçado, transformando a estrutura cristalina em uma fase supersaturada e extremamente dura chamada martensita. O aço é aquecido a uma temperatura aproximadamente 760°C a 870°C (1.400°F a 1.600°F) , dependendo do teor de carbono, e mantido por tempo suficiente para austenitizar totalmente a estrutura. O resfriamento rápido – muitas vezes excedendo 200°C por segundo na extinção em água - suprime a difusão de átomos de carbono para fora da rede de ferro. Em vez de formar as fases de equilíbrio de ferrita e cementita, o carbono fica preso dentro de uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado conhecida como martensita. Esta estrutura é caracterizada por imensa tensão interna e uma dureza que pode atingir 62 a 67 HRC na escala Rockwell C em aços para ferramentas com alto teor de carbono, como AISI 1095. A seleção do meio de têmpera é uma decisão crítica de engenharia. Água e salmoura proporcionam a têmpera mais severa, produzindo dureza máxima, mas também o maior risco de distorção e trincas por têmpera. A têmpera em óleo é mais lenta e uniforme, reduzindo o choque térmico e tornando-o o meio preferido para ligas de aço e formatos complexos. A têmpera a ar, ou têmpera a gás, é usada para aços de alta liga endurecidos ao ar que formam martensita mesmo em taxas de resfriamento relativamente lentas. No entanto, a estrutura martensítica temperada, embora extremamente dura, também é altamente frágil. Segundo dados compilados pela Manual de Análise de Falhas ASM , a martensita não revenida contém altos níveis de tensão residual e pode rachar espontaneamente devido a pequenos defeitos superficiais ou durante a retificação. Essa fragilidade é a razão pela qual o endurecimento quase nunca é a etapa final de um ciclo térmico. Em vez disso, o endurecimento deve ser seguido imediatamente de revenido para restaurar a tenacidade. Apesar desta limitação, o endurecimento é a maneira mais direta de alcançar a alta dureza superficial necessária para ferramentas de corte, pistas de rolamentos, matrizes e placas resistentes ao desgaste, e é o processo que define entre os tipos de heat treatment para componentes que devem resistir à abrasão e à indentação.

4. Têmpera: Equilibrando Dureza e Tenacidade Após Têmpera

O revenido é um tratamento térmico obrigatório que segue o endurecimento; reduz a fragilidade da estrutura martensítica e alivia as tensões de têmpera reaquecendo o aço a uma temperatura abaixo do ponto crítico inferior, mantendo-o e depois resfriando ao ar. A temperatura de revenido é a principal variável que controla o equilíbrio final entre dureza e tenacidade. Ele varia de tão baixo quanto 150°C (300°F) para aplicações que exigem máxima resistência ao desgaste, como lâminas de barbear e ferramentas de corte de metal, até 650°C (1.200°F) para componentes que devem absorver energia de impacto, como eixos automotivos e virabrequins. À medida que a temperatura de revenido aumenta, os átomos de carbono presos precipitam-se para fora da rede de martensita como partículas finas de carboneto, e a estrutura cristalina gradualmente se transforma de tetragonal de corpo centrado em um arranjo cúbico de corpo centrado mais estável com carbonetos dispersos. Esta estrutura de martensita temperada pode ser projetada com precisão controlando o tempo e a temperatura. Por exemplo, um aço carbono simples temperado a 64 HRC pode ser revenido a 200°C para reter uma dureza de 60 a 62 HRC para uma aresta de corte, ou temperado a 550°C para produzir uma dureza de 30 a 35 HRC e um alto grau de tenacidade adequado para uma biela. Um fenômeno especial conhecido como fragilização por revenido pode ocorrer se certas ligas de aço forem resfriadas lentamente na faixa de 450°C a 600°C, um risco que é mitigado pela adição de pequenas quantidades de molibdênio ou pelo resfriamento rápido a partir da temperatura de revenido. De acordo com o Edição de mesa do manual de metais , o revenido não é apenas uma reflexão corretiva para o endurecimento; é uma ferramenta de projeto deliberada que adapta a resposta mecânica do aço às necessidades precisas da aplicação. Entre os quatro tipos de heat treatment , o revenido é aquele que converte uma peça frágil e tensionada internamente em um componente de engenharia confiável.

Como os quatro tipos de tratamento térmico funcionam juntos na fabricação

Na prática industrial, os quatro tipos de tratamento térmico raramente são utilizados isoladamente; eles são combinados em uma sequência que transforma matéria-prima em componentes acabados com propriedades controladas com precisão. Uma rota de fabricação típica para uma engrenagem endurecida começa com a normalização ou recozimento da peça forjada para amolecê-la para usinagem e para remover tensões residuais de fundição ou forjamento. A peça bruta é então usinada no formato quase final, enquanto está em seu estado mais macio e funcional. Após a usinagem, o componente é aquecido até a temperatura de austenitização e temperado para formar martensita, alcançando a alta dureza superficial necessária para resistência ao desgaste. Imediatamente após a têmpera, a peça é revenida até a tenacidade necessária, aliviando as tensões internas de têmpera e evitando trincas retardadas. Essa sequência – suavizar, moldar, endurecer, temperar – é fundamental para a produção de milhões de componentes críticos, desde engrenagens de transmissão automotiva até instrumentos cirúrgicos. Os parâmetros específicos de cada etapa dependem do tipo de aço e da dureza e tenacidade final desejada. Por exemplo, uma engrenagem feita de aço de liga de baixo carbono AISI 8620 pode passar por uma rota de endurecimento diferente chamada cementação, que introduz carbono na camada superficial antes da têmpera, mas a sequência de tratamento do núcleo ainda envolve normalização para refinamento de grão, têmpera para formar uma camada martensítica e revenido para reduzir a fragilidade da caixa. Entendendo como esses quatro tipos de heat treatment O interact permite que os engenheiros de processo projetem um ciclo térmico que maximiza o desempenho e minimiza a distorção e o desperdício.

Perguntas frequentes sobre os tipos de tratamento térmico

Qual é a diferença entre recozimento e normalização?

Ambos tipos de heat treatment amolecem o aço e refinam sua estrutura, mas diferem na taxa de resfriamento. O recozimento emprega um resfriamento muito lento do forno, produzindo o estado mais macio possível com máxima ductilidade e a estrutura de grão mais grossa. A normalização utiliza resfriamento a ar, resultando em uma estrutura moderadamente dura e de granulação fina com maior resistência e melhor uniformidade. A normalização é preferida quando é necessário um equilíbrio entre resistência e tenacidade, enquanto o recozimento é escolhido quando extrema maciez e conformabilidade são necessárias para o trabalho a frio subsequente.

Todos os aços podem ser endurecidos por têmpera?

Não. A capacidade de formar martensita durante o endurecimento depende do teor de carbono e da composição da liga. Aços com menos de aproximadamente 0,30% de carbono geralmente não podem ser endurecidos até uma estrutura martensítica por meio de têmpera direta porque não possuem carbono suficiente para criar uma rede dura e distorcida. Aços de baixo carbono, como o AISI 1018, são frequentemente endurecidos por cementação, o que adiciona carbono à superfície antes da têmpera, criando uma camada dura sobre um núcleo resistente. Os aços de médio e alto carbono, assim como a maioria dos aços-liga, respondem prontamente ao processo de endurecimento.

Por que o revenido deve ser realizado imediatamente após o endurecimento?

A martensita formada durante a têmpera contém enormes tensões internas. Se essas tensões não forem aliviadas através do revenido, elas podem causar fissuras espontâneas na peça, às vezes horas ou dias após a têmpera, em um fenômeno conhecido como fissuração retardada. O revenimento deve ser realizado assim que a peça atingir aproximadamente 50°C a 65°C (120°F a 150°F) após a têmpera. Atrasar esta etapa corre o risco de falha da peça e é considerado um erro grave de processo em todas as oficinas de tratamento térmico.

Como escolho entre recozimento e normalização para um aço de baixo carbono?

Para aços de baixo carbono que serão submetidos a extensa conformação a frio ou repuxo profundo, o recozimento é o preferido tratamento térmico porque produz a condição mais macia e dúctil. Se o componente for destinado ao uso estrutural onde é necessária alguma resistência, a normalização é a melhor escolha porque proporciona um tamanho de grão mais fino e propriedades mecânicas melhoradas sem o custo do resfriamento prolongado do forno. A decisão também depende das etapas subsequentes de fabricação: o recozimento é ideal para pré-usinagem de material, enquanto a normalização geralmente serve como tratamento final para seções laminadas a quente.

Os quatro tipos de heat treatment —recozimento, normalização, endurecimento e revenimento — formam um kit de ferramentas completo para manipular as propriedades mecânicas do aço. Cada processo atende a uma necessidade de engenharia diferente: o recozimento cria uma base macia e livre de tensões para a conformação; a normalização refina e homogeneiza a estrutura para confiabilidade; o endurecimento leva o aço à sua dureza máxima possível; e o revenido transforma essa dureza frágil em uma combinação segura e utilizável de resistência e tenacidade. Juntos, esses processos permitem a produção de componentes que vão desde chapas metálicas macias e dobráveis ​​até arestas de corte ultraduras, e permanecem tão essenciais para a fabricação moderna quanto eram há um século.