A determinação da temperabilidade em aço

Para velocidades maiores do que a crítica, a dureza da têmpera depende principalmente do teor de carbono dissolvido na austenita. Para velocidades menores do que a crítica, a percentagem de martensita é reduzida, levando a uma diminuição da dureza. Dessa forma, a temperabilidade é um termo utilizado para descrever a habilidade de uma liga de ser endurecida pela formação de martensita. Uma liga que possui alta temperabilidade forma martensita não apenas na sua superfície, mas em elevado grau também em todo o seu interior. Conheça o ensaio Jominy que, em metalurgia, é designado para avaliar a temperabilidade de um aço.

aço2Da Redação –

Pode-se afirmar que, enquanto a dureza da superfície é primariamente dependente do teor de carbono e da taxa de resfriamento, a profundidade, na qual um certo nível de dureza é mantido para uma dada condição de resfriamento, é função da sua temperabilidade. Esta propriedade não deve ser confundida com dureza, que se refere à força de um material e sua capacidade de resistir a danos.

Em vez disso, a temperabilidade determina se um objeto pode ser feito de forma mais enrijecida, ou se é resistente ao endurecimento. Este termo é usado apenas para se referir a objetos de metal, incluindo aço e ligas metálicas, e não é aplicada aos plásticos ou outros materiais.

O ensaio primário de temperabilidade é conhecido como de têmpera. Para realizar este ensaio, uma barra de aço é aquecida até que cristalize em uma estrutura cúbica de face centrada chamada austenita. Após a fonte de calor ser removida, uma extremidade da haste de austenita é imediatamente submetida a uma aspersão de água para arrefecer até à temperatura ambiente. Este processo de arrefecimento é chamado de têmpera.

O endurecimento do aço e de outros metais depende tanto da composição do objeto quanto de sua forma ou geometria. Quanto mais espesso é um objeto, mais lenta a taxa de resfriamento no centro, tornando mais difícil o endurecimento do material na parte interna.

Isso significa que os objetos mais espessos, ou aqueles com área de superfície pequena, terão um nível mais baixo de temperabilidade do que os objetos pequenos ou diluentes feitos a partir do mesmo material. Em um objeto fino, o calor tem muito pouca distância para se propagar, assim como as taxas de arrefecimento podem ser rápidas e aumentar o seu nível de dureza.

Em geral, quanto maior for o conteúdo de carbono de um produto de aço, maior temperabilidade o aço terá. Os elementos comuns adicionados ao aço para aumentar a sua capacidade de endurecimento incluem boro, manganês, cromo e molibdênio. A adição de ligas deve ser cuidadosamente realizada para evitar a alteração das propriedades do aço, de modo a afetar a sua capacidade de ser endurecido.

A propriedade de temperabilidade do aço e a sua capacidade de ser soldado estão inversamente relacionadas. Quanto mais endurecível o aço, mais difícil será a solda; quanto menor for a capacidade de ser endurecido, mais fácil é a solda. Um ensaio de temperabilidade é frequentemente usado em aplicações de soldadura para determinar se dois materiais podem, com sucesso, ser soldados. Também pode ajudar a escolher os equipamentos de solda mais adequados e suas configurações.

A realização dos tratamentos de têmpera e revenimento produz a microestrutura de martensita revenida, que proporciona a melhor combinação de resistência mecânica/dureza e tenacidade. A têmpera, produzindo martensita, leva à obtenção de resistência mecânica/dureza bem mais alta do que a obtida pela microestrutura ferrítico perlítica fina, mas as tensões associadas à transformação martensítica podem causar trincas e distorções no aço temperado.

Assim, logo após a têmpera, o aço deve ser revenido, pois embora a resistência mecânica/dureza caia um pouco, mas não muito, devido à difusão dos átomos de carbono para fora da martensita, um pouco empobrecida, as tensões são eliminadas, resultando em considerável ganho de tenacidade, além de evitar trincas e distorções. Pode-se dizer que a temperabilidade é um conceito importante e consiste na capacidade do aço sofrer transformação martensítica (têmpera) após ser resfriado rapidamente num determinado meio a partir do campo austenítico.

Depende muito da composição química: enquanto aços com teores de carbono e de outros elementos de liga relativamente baixos só temperam em água, outros um pouco mais ligados temperam ao ar, enquanto alguns muito ligados (ex.: aços-ferramenta) temperam ao ar. O carbono endurece a martensita, enquanto os demais elementos de liga retardam a transformação difusional em ferrita e cementita, favorecendo a transformação martensítica.

Depende também do tamanho de grão austenítico (maior: menos contornos: menor área para nuclear ferrita e cementita: favorece formação de martensita) e da homogeneidade da austenita (mais homogênea: sem carbetos: dificulta a nucleação da ferrita e da cementita). Dois fatores influenciam a velocidade com a qual as diferentes posições na peça resfriam: a velocidade de extração do calor na superfície da peça que é função do meio de têmpera selecionado; e a transmissão de calor por condução dentro da peça que é influenciada pela geometria da peça: dimensões e forma. Em função disso podem se formar diferentes microestruturas na superfície e no interior da peças.

Existem dois métodos para ensaio de temperabilidade: o de Grossmann (o mais antigo) e o Jominy (mais simples e mais comumente empregado). O de Grossmann pode ser executado em barras de aço com diferentes diâmetros que são temperadas e o perfil de dureza ao longo do diâmetro da barra é medido. A dureza no centro das barras é apresentada num único gráfico, onde o diâmetro crítico (50 HRC ou 50 % de martensita) é determinado para um dado meio de têmpera. Assim, barras com diferentes diâmetros são temperadas e a dureza varia com o meio de têmpera , a posição ao longo do diâmetro e com os diferentes diâmetros.

No ensaio Jominy, um único corpo de prova cilíndrico é temperado em uma das extremidades, gerando uma ampla gama de variação de velocidades de resfriamento ao longo da altura do cilindro, resultando em diferentes microestruturas e durezas nestas regiões distintas. Assim, obtém-se diferentes velocidades de resfriamento nas diferentes distâncias da extremidade.

Em decorrência da têmpera (transformação martensítica) no aço as tensões residuais são excessivas e a ductilidade e a tenacidade são muito baixas para permitir seu uso na maioria das aplicações, sendo necessária a realização de um tratamento térmico denominado revenimento (ou revenido), que altera a microestrutura e alivia as tensões decorrentes da têmpera, consistindo no aquecimento a temperaturas inferiores, com o objetivo de aumentar a ductilidade e a tenacidade e ajustar a resistência mecânica para o nível desejado, além de aliviar tensões.

A NBR 6339 (MB381) de 10/2016 – Aço – Determinação da temperabilidade (ensaio Jominy) especifica o método de ensaio para determinação da temperabilidade do aço, pelo ensaio Jominy. Em metalurgia, esse ensaio é designado para avaliar a temperabilidade de um aço, ou seja, a capacidade de se obter martensita por tratamento térmico de têmpera. Consiste num dispositivo onde se coloca um corpo de prova cilíndrico, austenitizado, sobre um jato de água, até seu total resfriamento.

Na aplicação deste método, deve ser utilizada a seguinte aparelhagem. Um forno provido de atmosfera controlada neutra e equipado com um controlador de temperatura capaz de trabalhar na faixa de 800 °C a 950 °C com desvio de apenas ± 5 °C.

Na falta de atmosfera controlada neutra no forno, pode-se recorrer a um tubo protetor do corpo de prova, fechado em uma das extremidades e com um flange na outra, medindo: 26 mm de diâmetro interno; 105 mm de profundidade; 70 mm de aresta de um flange quadrado. No flange do tubo protetor, deve haver um rebaixo para alojamento do flange do corpo de prova, rebaixo esse que, com o corpo de prova em posição, dificulta a entrada de ar.

Para uso, forrar o fundo do tubo protetor com grafita em pó ou pastilha (ou mesmo com limalha de ferro fundido) e, sobre esta camada de grafita, apoiar a superfície de têmpera do corpo de prova durante o aquecimento e austenitização para têmpera. Um dispositivo de têmpera, compreendendo: canalização para a água com orifício final de 12,5 + – mm de diâmetro, disposta verticalmente no dispositivo de têmpera; registro de abertura rápida ou diagrama que interrompa o fluxo de água e possa ser aberto ou afastado rapidamente para dar início ao resfriamento do corpo de prova; recipiente com dreno para recolher e desviar a água utilizada no ensaio e servir de base para o suporte do corpo de prova na têmpera; suporte para corpo de prova na têmpera, com forma e dimensões indicadas conforme a Figura B.2 (disponível na norma), instalado acima do tubo de saída de água em posição tal que, durante a têmpera, o eixo do corpo de prova coincida com o eixo do tubo de saída de água; sistema de abastecimento de água que assegure vazão constante nas condições requeridas durante a execução do método de ensaio.

Um durômetro Rockwell com dispositivo de apoio e sujeição do corpo de prova, no qual o corpo de prova possa ser movimentado no sentido de seu eixo e fixado nos pontos estabelecidos para a medição de dureza. O corpo de prova Jominy deve ser produzido de acordo com a norma do produto e/ou conforme acordo entre as partes interessadas.

Nesta norma, ele é classificado como “corpo de prova convencional”, “corpo de prova reduzido” e “corpo de prova fundido”, em função de suas dimensões ou do seu material de origem. A usinagem do corpo de prova deve eliminar todo e qualquer eventual vestígio de descarbonetação e garantir uma superfície de têmpera normal ao eixo do corpo de prova, sem saliências ou reentrâncias, e lixada para acabamento fino, por exemplo, conforme o acabamento obtido com lixa de grana 80; acabamento geral.

O corpo de prova extraído da chapa deve ter seu eixo situado no sentido longitudinal ou no sentido transversal em relação à direção de laminação. O corpo de prova deve receber no flange a indicação da direção do plano de simetria da chapa. O corpo de prova convencional preferencial deve ser extraído de uma barra laminada ou forjada com dimensão de 32 mm de diâmetro, representando o material de toda a seção do produto.

O eixo do corpo de prova deve coincidir com o eixo da barra. Pode ser também considerado como corpo de prova convencional preferencial aquele extraído da chapa laminada ou forjada com 32 mm de espessura. Nesse caso, situar o eixo do corpo de prova no plano que passa pelo plano de simetria da chapa.

A extração do corpo de prova convencional de barra ou de chapa laminada com dimensão (diâmetro, lado ou espessura) diferente de 32 mm é facultada da seguinte maneira: de barra ou chapa laminada com dimensões > 32 mm e ≤ 64 mm, extrair o corpo de prova com seu eixo coincidente com o eixo da barra ou com plano que passa pela meia espessura da chapa, conforme o caso; de barra ou chapa laminada com dimensões > 64 mm, extrair o corpo de prova de uma das metades da seção, com seu eixo a meio-raio ou a ¼ da espessura, conforme o caso; em condições especiais, de barra ou chapa laminada com dimensões > 26 mm e < 32 mm, caso em que o flange de suporte pode ser um anel fixado conforme Figura B.3, ou mediante o uso de parafuso, e o eixo do corpo de prova deve passar pelo eixo de barra ou pelo plano a meia espessura da chapa, conforme o caso.

O corpo de prova reduzido deve ter o maior possível de um dos diâmetros estabelecidos (19,0 mm, 12,7 mm ou 6,4 mm) e (101 ± 0,5) mm de comprimento, e ser extraído de barra laminada ou forjada com diâmetro < 26 mm, sendo o eixo do corpo de prova coincidente com o eixo da barra; ou extraído da chapa laminada com espessura < 26 mm, sendo o eixo do corpo de prova coincidente com o plano que passa pelo plano de simetria da chapa.

Para o aquecimento do corpo de prova para têmpera, realizar aquecimento do corpo de prova conforme a seguir: evitar qualquer carbonatação ou descarbonetação do corpo de prova; evitar oxidação acentuada do corpo de prova; utilizando forno com atmosfera neutra; ou empregando recipiente protetor espacial, o qual deve estar inicialmente seco; aquecer o corpo de prova até a temperatura de austenitização para têmpera adequada a cada tipo de aço, estipulada mediante acordo prévio entre comprador e vendedor ou conforme Tabela 2, em um período de tempo, conforme os diâmetros de diâmetro de 25,5 mm por 1 h; diâmetro de 19,0 mm por 45 min; diâmetro de 12,7 mm por 30 min; diâmetro de 6,4 mm por 15 min.

A fim de obter dados sobre a temperatura de tratamento, pode-se ligar um termopar axialmente no topo do corpo de prova. Este ensaio deve ser repetido periodicamente (por exemplo, uma vez por mês), ou para cada combinação de recipiente e forno.

Para o resfriamento para têmpera do corpo de prova, realizar resfriamento do corpo de prova conforme a seguir: o período de tempo entre a retirada do corpo de prova do forno e início da têmpera pela água deve ser no máximo de 5 s; retirar o corpo de prova do forno e colocá-lo no dispositivo de têmpera, que deve estar seco; acionar o dispositivo de abertura rápida da água, dando início à têmpera; evitar agitação do ar ambiente em torno do corpo de prova durante a têmpera; deixar a água aplicada à superfície da têmpera do corpo de prova fluir durante no mínimo 10 min; decorrido o período de tempo previsto já indicado, dar por terminada a têmpera, podendo então o corpo de prova ser indiferentemente mergulhado em água ou deixado ao ar até atingir a temperatura ambiente.

A média dos resultados de dureza nas duas superfícies retificadas do corpo de prova deve ser calculada para cada ponto, com arredondamento para o número inteiro seguinte da escala. Caso a diferença entre os resultados de dureza nas duas superfícies retificadas, para cada ponto, seja superior a quatro unidades Rockwell C, em qualquer dos pontos, o ensaio deve ser repetido em novas superfícies retificadas no mesmo ou em outro corpo de prova.

O resultado deve relacionar todas as médias por meio de tabela e/ou gráfico. O certificado do ensaio deve conter a identificação do produto acabado e os dados do ensaio, conforme Anexo A, quaisquer condições do ensaio diferentes daquelas estabelecidas por esta norma devem ser relatadas.



Categorias:Normalização, Qualidade

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