Apêndice do Capítulo 1

A AUSTENITA NOS AÇOS

A formação e o controle do tamanho de grão da Austenita são aspectos vitais dos vários tratamentos térmicos , de Recozimento e de Endurecimento, dos aços. Tanto o comportamento da transformação da Austenita quanto as propriedades mecânicas das microestruturas formadas, a partir da Austenita, são influenciadas pela tamanho de grão da Austenita.

A Austenita e suas propriedades

A Austenita nos aços comuns, mesmo sendo estável somente acima da temperatura A1 , exerce uma grande influência sobre o comportamento da transformação e no comportamento quanto a deformação dos aços tratados termicamente. Com relação a transformação, os contornos de grão da Austenita são sítios preferenciais de nucleação das fases pró-eutetoides e da Perlita. Consequentemente, se o tamanho de grão da Austenita é grosseiro, um menor número de sítios de nucleação são encontrados e o processo de transformação da Austenita , controlado por difusão, fica retardado. Como conseqüência pode ser constatado que a endurecibilidade dos aços é aumentada.

O tamanho de grão da Austenita também afeta a cinética de transformação da Martensita pelo seu efeito na temperatura de início de formação da mesma, MS. O processo de nucleação e crescimento das fases pró-eutetoide e da Perlita, a partir dos contornos de grão da Austenita, estabelece uma relação direta entre o tamanho da grão da Austenita e o tamanho de grão dos produtos de transformação. Assim, quanto mais fina for a granulação da Austenita mais fina será a granulação dos produtos Ferrita-Cementita. Nota: Nos aços de baixo carbono, normalizados ou recozidos, aonde a microestrutura é predominantemente ferrítica, não somente a resistência mecânica mas também a Tenacidade serão aumentadas com o decréscimo do tamanho de grão. Desta forma a redução do tamanho de grão austenítico nos aços de baixo carbono, consequentemente, oferecerá a possibilidade de uma melhora muito significante nas propriedades das microestruturas ferríticas e, de fato, vêm sendo comprovadas pelos recentes avanços obtidos nos aços ARBL ( HSLA ), isto é, aços de alta resistência e baixo teores de elementos de liga. Nos aços endurecidos por Têmpera a formação da Martensita, a partir de uma Austenita de granulação fina, tem sido preferida devido a melhora apresentada nas suas propriedades mecânicas . Tem sido observado uma relação de acréscimo nas propriedades de escoamento de uma estrutura martensítica com o decréscimo do tamanho de grão da Austenita. A Tenacidade ao Impacto dos aços endurecidos, determinada em um ensaio de Impacto, com corpos de prova do tipo Charpy, melhora com o decréscimo do tamanho de grão austenítico. As razões para esse efeito do tamanho de grão da Austenita são muito complexas e, a princípio, podem estar, em parte, relacionadas a segregação de átomos de impurezas nos contornos de grão da Austenita durante o processo de austenitização. Nos aços austenitizados a altas temperaturas, e consequentemente, com tamanho de grão austenítico grosseiro, as fraturas dos corpos de prova utilizados no ensaio de impacto, freqüentemente, ocorrem no contorno de grão da Austenita prévia. Esta fratura intergranular é muito frágil e muitas vezes reflete os efeitos da presença de segregação nos contornos de grão.

A Formação da Austenita. A maneira na qual a Austenita se forma, em um dado aço, depende, fundamentalmente, da microestrutura presente no aço antes do aquecimento para a completa austenitização, isto é, tais estruturas podem ser constituídas de Perlita, Ferrita, Cementita esferoidizada e Martensita. A formação da Austenita a partir de uma microestrutura perlítica de um aço eutetoide se dá pela dissolução dos átomos de Carbono porém pode ser mostrado que nem toda Cementita é dissolvida tendendo, alguma parte, a persistir na forma de partículas esferoidizadas que somente se dissolvem quando mantida por tempos e temperatura maiores.

Esta dependência com o tempo é esperada devido a difusão do Carbono necessária para produzir uma Austenita contendo 0.8%C a partir da Ferrita ( 0.02% ) e da Cementita ( 6.67 % ) ambos da Perlita. Assim, em temperaturas mais altas a taxa de difusão aumenta e a Austenita se forma mais rapidamente. Nas microestruturas constituídas de Ferrita a nucleação da Austenita ocorre primeiramente no contorno de grão da Ferrita. A formação da Austenita a partir de uma estrutura martensítica se dá segundo a formação de uma estrutura equiaxiada e tende a se formar nos contornos de grão da Austenita prévia . Porém esta formação depende exclusivamente do tipo de estrutura martensítica que se formar, isto é, se em agulhas ou em ripas. No caso da Martensita em ripas a nucleação se dá entre essas ripas.

O Tamanho de Grão da Austenita

O tamanho de grão da Austenita é normalmente reportado em termos de "número de tamanho de grão ASTM", aonde "n" , o número do tamanho de grão, é obtido da expressão 2( n-1 ) que estabelece o número de grão por polegada quadrada em uma microestrutura analisada numa ampliação de 100X. É possível encontrar padrões que mostram o tamanho de grão da Austenita prévia variando desde ASTM nº1 até ASTM nº 9. Uma tabela útil para se inter-relacionar o tamanho de grão ASTM e outras medidas de tamanho de grão podem ser encontradas na especificação ( norma ) ASTM E 112-63. Freqüentemente o tamanho de grão é medido por uma técnica baseada no número e tamanho das interseções ou interceptos de uma linha de comprimento conhecido com os diversos grãos interceptados.

O Controle do Tamanho de Grão Os aços podem apresentar tanto uma granulação grosseira quanto fina. Os aços de granulação fina são desoxidados com alumínio ( aços acalmados ) e por isso contém finas partículas de nitretos de alumínio que impedem o crescimento do grão da Austenita . Já os aços de granulação grosseira são, normalmente, desoxidados com Silício, uma prática que não produz uma dispersão efetiva de partículas para a inibição do crescimento do grão da Austenita. Dois tipos de engrossamento de grãos austeníticos ocorrem nestes dois tipos de aços. Os aços com granulação grosseira têm um crescimento de grão gradual conforme aumenta-se a temperatura de austenitização. Já os aços de granulação fina não mostram nenhum crescimento até que uma temperatura de austenitização , relativamente alta( 1000 a 1100º C ), seja alcançada e a partir daí um engrossamento abrupto ocorre muito rapidamente. Algumas vezes este fenômeno abrupto é chamado de "crescimento de grão descontínuo" ou "Recristalização secundária". Esse fenômeno ocorre porque nesses níveis de temperatura as partículas de alumínio se engrossam e/ou se dissolvem, perdendo assim sua capacidade de ancoramento do crescimento do grão austenítico.

O tamanho de grão da Austenita pode ser controlado por outros elementos de adição ao invés do alumínio. Em particular, os metais de transição tais como o Titânio, Vanádio e o Nióbio são fortes formadores de carbetos e nitretos que comportam-se similarmente ao Alumínio com relação a produção de partículas dispersas que inibem o crescimento do grão da Austenita.

Considerações iniciais sobre os Tratamentos Térmicos para produzir Ferrita e Perlita

Este capítulo descreve alguns tratamentos térmicos conhecidos que foram desenvolvidos para produzir uniformidade na estrutura, melhorar a dutilidade, reduzir o nível de tensões residuais e ou melhorar a usinabilidade dos aços. As microestruturas que são produzidas por estes tratamento térmicos consistem de várias distribuições de Ferrita e Cementita, e consequentemente, são produzidos por tempos de manutenção , numa dada temperatura, relativamente longos seguido de resfriamentos contínuos com baixa taxa de resfriamento. Estas condições permitem a formação das microestruturas de Ferrita e Cementita desejadas, num processo típico de "Difusão Controlada".

Recozimento Pleno e Homogeneização

O termo Recozimento tem sido usado, num sentido mais amplo, para se referir a qualquer tratamento térmico que tenha como objetivo o desenvolvimento de uma estrutura não martensítica de baixa dureza e alta dutilidade. Este entendimento do que é Recozimento é um conceito muito mais amplo e assim sendo, hoje em dia, pode-se definir e desenvolver vários tratamentos térmicos de Recozimento mais específicos. O Recozimento Pleno é um tratamento térmico no qual o aço é aquecido até o campo monofásico da Austenita e lentamente resfriado , normalmente dentro do forno, através de faixas de transformação críticas. Quando o termo Recozimento é usado sem um adjetivo, com relação ao aço-Carbono, o Recozimento Pleno é a prática de tratamento térmico indicado. O diagrama apresentado mostra as várias faixas de temperaturas para os vários tratamentos térmicos que envolvem austenitização superimposta no diagrama Fe-C. Como mostrado, a temperatura para o Recozimento pleno é uma função do teor de carbono do aço, posicionando-se logo acima da temperatura A3, para os aços hipoeutetóides, e acima de A1, para os aços hipereutetóides. As temperaturas críticas, entretanto, variarão de acordo com o teor dos elementos de liga dos aços, porém o objetivo do aquecimento continuará o mesmo. A razão para o aquecimento dos aços hipereutetóides no campo Austenita-Cementita é aglomerar ou esferoidizar a Cementita pró-eutetóide. Se tais aços são aquecidos acima de Acm, uma Cementita pró-eutetóide poderia se formar, sob resfriamento lento, nos contornos de grão da Austenita e a rede resultante de carbetos sobre o contorno de grão da Austenita proporcionaria uma região de alta fragilidade podendo ocasionar a fratura do aço quando sob tensão de serviço. Assim o objetivo do Recozimento pleno dos aços de alto teor de carbono, no campo Austenita-Cementita, é interromper a formação de tais redes contínuas de carbetos, nos contornos de grãos, pela aglomeração em separado de partículas esféricas de Carbeto. O diagrama também mostra a faixa de temperatura para a "Homogenização". A Homogenização é u tipo de tratamento térmico de Recozimento normalmente realizado nos primeiros estágios processamento à quente ( Laminação e Forjamento, p.ex ) dos aços. A Homogenização é desenvolvida a altas temperaturas austeníticas para acelerar a redução de formação de segregações (controlada por difusão) ou a formação de gradientes de concentração química que são produzidos no processo de solidificação de um lingote. Além disso, partículas de Segunda fase ( carbetos, p.ex ) são, praticamente, totalmente dissolvidos. A uniformidade resultante ou a homogenização da Austenita não somente melhora a trabalhabilidade à quente mas também

contribui para uniformidade do aço quanto a recozimentos subsequentes ou operações de endurecimento.

Normalização

A Normalização é um tratamento térmico que, similarmente ao Recozimento, produz uma microestrutura uniforme de Ferrita e Perlita. Existem, entretanto, várias diferenças importantes entre Recozimento e Normalização. A normalização em aço Hipoeutetóide é desenvolvida à temperaturas relativamente maiores que aquelas utilizadas no Recozimento, enquanto que nos aços Hipereutetóides a faixa de temperatura de aquecimento está acima de Acm. Na Normalização o aquecimento é seguido de resfriamento ao ar, ao contrário do Recozimento Pleno que é mais lento por ser realizado no forno. A temperatura de austenitização um pouco maior usada na Normalização, quando comparada com a usada no Recozimento dos aços Hipoeutetóides, em geral produzem uma maior uniformidade na estrutura austenítica e uma composição similar a do tratamento de Homogeneização, embora em temperaturas menores e tempos mais curtos que aqueles utilizados na Homogeneização. Além disso, um outro objetivo principal da Normalização é o refino do tamanho de grão que freqüentemente torna-se muito grosseiro durante o trabalho a quente a elevadas temperaturas. A medida que tais estruturas que foram trabalhadas à quente são aquecidas acima das temperaturas Ac1 e Ac3 , novos grãos de Austenita são nucleados e, se a temperatura de austenitização é limitada à faixa prevista para Normalização, uma estrutura austenítica mais fina é produzida. A Normalização, então, produz uma estrutura austenítica fina e uniforme que nos aços hipoeuteóides se transforma em Ferrita e Perlita sob resfriamento ao ar. Essa estrutura resultante pode ter boa uniformidade e propriedades mecânicas satisfatórias, para uma dada aplicação, ou pode ser reaustenitizada para dar origem a uma estrutura endurecida por têmpera, isto é, a Martensita. Nos aços Hipereutetóides a Normalização é realizada acima da temperatura Acm não somente para refinar o tamanho de grão da Austenita mas também para dissolver carbetos e redes de carbetos que podem ter se desenvolvido durante procedimentos prévios. A estrutura que resulta da Normalização responde mais rapidamente aos tratamentos de esferoidização ( para aumentar a usinabilidade ) e fornece melhores condições para um tratamento térmico subsequente de endurecimento. Assim o resfriamento ao ar diminui a faixa de temperatura sobre a qual a Ferrita pró-eutetóide ae a Perlita se formam comparada a faixa de transformação no Recozimento total. Como um resultado disso tanto o tamanho de grão da Ferrita quanto o espaçamento interlamelar da Perlita são

reduzidos quando comparados com aqueles produzidos, no mesmo aço, na condição de Recozidos.

Recozimento para Recristalização

Este tipo de Recozimento é um tartamento subcrítico normalmente aplicado para reestabelecer a dutilidade dos produtos de aço trabalhados à frio. Uma vez que estes tratamentos térmicos são desenvolvidos no campo de Ferrita-Cementita, do diagrama Fe-C, nenhuma transformação de fases acompanha a mudança microestrutural produzida por este tratamento. Geralmente a microestrutura dos aços de baixo e médio teor de Carbono antes do tarbalho à frio é esferoidizada ou com grandes quantidades de Ferrita e alguma Perlita, ambas com alta dutilidade. A Ferrita nessas microestruturas é equiaxiada e livre de deformação. O trabalho à frio endurece a Ferrita tendendo a alongar os seus grãos na direção da tensão principal de trabalho e introduz uma alta densidade de imperfeições dentro do cristal ( grão ). Sob aquecimento a alta energia de deformação da Ferrita deformada trabalha em primeiro lugar em favor de um mecanismo chamado de "Recuperação", isto é , o fenômeno pelo qual as imperfeições cristalinas, principalmente as discordancias, sào eliminadas ou rearranjadas em novas configurações, e logo a seguir dão origem ao fenômeno da "Recristalização", isto é, um processo oande novos grãos equiaxiados e finos de Ferrita, livres de deformação, nucleiam e crescem a patrtir do contorno de grão da Ferrita prévia deformada. O resultado final deste Recozimento subcrítico é uma restauração da dutilidade da microestrutura cujos grãos novamente reestabelecem suas capacidades de deformação plástica durante o trabalho à frio.

Alívio de Tensões

Um grande número de processos de fabricação térmicos e mecânicos produzem tensões residuais nas peças que podem ser prejudiciais ao seu desempenho em trabalho. As tensões residuais podem causar distorção, trincamento durante tratamentos térmicos ou qualquer processamento, além de falhas em serviço abaixo dos níveis da tensão de projeto. Uma das fontes de tensões residuais é o resfriamento de peças com secções grandes após a austenitização. Durante o resfriamento ao ar a superfície desta secção pode se transformar antes do centro da peça ( velocidades de resfriamento diferentes ). Quando o centro da peça eventualmente se transforma, o volume de expansão associado com a formação da Ferrita é restrito pela maior velocidade de

resfriamento experimentada pela superefície já transformada. Como um resultado disto o centro da peça é comprimido e a superfície da peça é posta em tensão. A tempera para formação de Martensita produz um problema similar de tensões residuais muito mais severo. Assim os aços martensíticos são, invariavelmente, tratados termicamente, de forma adequada, por um processo que reduza as tensões residuais e aumente a dutilidade e a Tenacidade. Usinagem e Trabalho a frio também podem introduzir tensões residuais no aço, devido as diferenças na quantidade de deformação entre a superfície e a parte interior da peça. As tensões residuais são reduzidas ou eliminadas por tratamentos térmicos subcríticos desenvolvidos a temperaturas um pouco abaixo ou sobrepostas aquelas usadas para o tratamento térmico de Recozimento para Recristalização. O objetivo do alívio de tensões não é produzir mudanças nas propriedades mecânicas conforme obtido no Recozimento de recristalização. Ao contrário, o alívio de tensões é acompanhado pelo mecanismo de recuperação da estrutura que precede a etapa de recristalização, uma situação que é ajudada pelas diferenças na cinética entre os dois mecanismos. Assim é possível aliviar as tensões residuais sem variar as propriedades mecânicas significativamente.