Nick Connor

Fortalecimento de Metais

A resistência de metais e ligas pode ser modificada através de várias combinações de trabalho a frio, ligas e tratamento térmico. Conforme discutido na seção anterior, a capacidade de um material cristalino se deformar plasticamente depende em grande parte da capacidade do deslocamento se mover dentro de um material. Portanto, impedir o movimento das discordâncias resultará no fortalecimento do material. Por exemplo, uma microestrutura com grãos mais finos normalmente resulta em maior resistência e tenacidade superior em comparação com a mesma liga com grãos fisicamente maiores. No caso do tamanho do grão, também pode haver compensação entre as características de resistência e fluência. Outros mecanismos de reforço são alcançados à custa de menor ductilidade e tenacidade. Existem muitos mecanismos de fortalecimento, que incluem:

• Reforço de Solução Sólida (liga)
• Endurecimento por Trabalho (Trabalho a Frio)
• endurecimento por precipitação
• Refinamento de Grãos
• Endurecimento da Transformação

Refinamento de Grão – Fortalecimento do Limite de Grão

O reforço de contorno de grão (ou reforço de Hall-Petch) é um método de reforço de materiais alterando seu tamanho médio de cristalito (grão). O tamanho do grão determina as propriedades do metal. Por exemplo, tamanho de grão menor aumenta a resistência à tração e tende a aumentar a ductilidade. Um tamanho de grão maior é preferido para melhorar as propriedades de fluência em alta temperatura. Diminuir o tamanho do grão também é uma maneira eficaz de aumentar a ductilidade. Quando o tamanho do grão é reduzido, há mais grãos com um maior número de planos de deslizamento arbitrariamente alinhados para as discordâncias nos grãos. Isso oferece mais oportunidades para que algum deslizamento ocorra em um material estressado. Os contornos de grão agem como um impedimento ao movimento das discordâncias pelos dois motivos a seguir:

1. A discordância deve mudar sua direção de movimento devido à orientação diferente dos grãos.
2. Descontinuidade dos planos de deslizamento do grão um para o grão dois.

Assim, o refinamento de grão fornece um meio importante para melhorar não apenas a resistência, mas também a ductilidade e a tenacidade. Muitos outros mecanismos de reforço são alcançados em detrimento da ductilidade e tenacidade. Para muitos materiais, o limite de escoamento σ varia com o tamanho do grão de acordo com

σ _y = σ _y,0 + k/d ^x

Nesta expressão, denominada equação de Hall-Petch, k é uma constante, d é o diâmetro médio do grão e σ_y,0 é a tensão de escoamento original. Observe que esta equação não é válida para materiais policristalinos de grão muito grande (isto é, grosseiro) e grão extremamente fino.

O efeito sinérgico dos elementos de liga e do tratamento térmico produz uma enorme variedade de microestruturas e propriedades dos aços.

• Vanádio. O vanádio é geralmente adicionado ao aço para inibir o crescimento do grão durante o tratamento térmico. Ao controlar o crescimento do grão, melhora a resistência e a tenacidade dos aços endurecidos e revenidos. O tamanho do grão determina as propriedades do metal. Por exemplo, tamanho de grão menor aumenta a resistência à tração e tende a aumentar a ductilidade. Um tamanho de grão maior é preferido para melhorar as propriedades de fluência em alta temperatura.
• Tungstênio. O tungstênio produz carbonetos estáveis ​​e refina o tamanho do grão para aumentar a dureza, principalmente em altas temperaturas. O tungstênio é amplamente utilizado em aços para ferramentas de alta velocidade e foi proposto como substituto do molibdênio em aços ferríticos de ativação reduzida para aplicações nucleares.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Indústria metalmecânica

Endurecimento de Metais

Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.

Endurecimento é um processo metalúrgico de usinagem usado para aumentar a dureza de um metal. A dureza de um metal é diretamente proporcional à tensão de escoamento uniaxial no local da deformação imposta. Para melhorar a dureza de um metal puro, podemos usar diferentes maneiras, que incluem:

• Método Hall-Petch
• Endurecimento por Solução Sólida (liga)
• Endurecimento por Trabalho (Trabalho a Frio)
• endurecimento por precipitação
• Fortalecimento da transformação
• Endurecimento por Dispersão
• Endurecimento de Superfície

Endurecimento por Dispersão

O endurecimento por dispersão envolve a inclusão de partículas pequenas e duras no metal, restringindo assim o movimento das discordâncias e, assim, aumentando as propriedades de resistência. É, em muitos aspectos, muito semelhante ao endurecimento por envelhecimento. A diferença está nos próprios precipitados – as partículas são escolhidas por causa de sua estabilidade térmica, ou seja, sua resistência ao engrossamento de partículas ou crescimento em altas temperaturas. Partículas dispersóides influenciam a estrutura do grão. O aumento da resistência se deve à estrutura granular formada pela presença dos dispersóides.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

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Indústria metalmecânica

Endurecimento de Metais

Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.

Endurecimento é um processo metalúrgico de usinagem usado para aumentar a dureza de um metal. A dureza de um metal é diretamente proporcional à tensão de escoamento uniaxial no local da deformação imposta. Para melhorar a dureza de um metal puro, podemos usar diferentes maneiras, que incluem:

• Método Hall-Petch
• Endurecimento por Solução Sólida (liga)
• Endurecimento por Trabalho (Trabalho a Frio)
• endurecimento por precipitação
• Fortalecimento da transformação
• Endurecimento por Dispersão
• Endurecimento de Superfície

Endurecimento por Precipitação – Endurecimento por Idade

Endurecimento por precipitação, também chamado de endurecimento por idade ou endurecimento de partículas, é uma técnica de tratamento térmico baseada na formação de partículas extremamente pequenas e uniformemente dispersas (precipitados) de uma segunda fase dentro da matriz de fase original para aumentar a resistência e a dureza de algumas ligas metálicas. Partículas de segunda fase apresentam outros tipos de obstáculos para o movimento de deslocamento, embora as partículas não sejam necessariamente átomos únicos. A presença de uma partícula de segunda fase representa uma distorção na rede da matriz. Portanto, os obstáculos que impedem o movimento da discordância são o campo de deformação em torno das partículas de segunda fase ou as próprias partículas de segunda fase ou ambos. O endurecimento por precipitação é usado para aumentar a resistência ao escoamento de materiais maleáveis, incluindo a maioria das ligas estruturais de alumínio, magnésio, níquel, titânio e alguns aços e aços inoxidáveis. Em superligas, é conhecido por causar anomalia no limite de escoamento, proporcionando excelente resistência em altas temperaturas.

As superligas à base de níquel incluem ligas reforçadas com solução sólida e ligas endurecíveis por envelhecimento. As ligas endurecíveis por envelhecimento consistem em uma matriz austenítica (fcc) dispersa com precipitação coerente de um intermetálico Ni₃ (Al,Ti) com uma estrutura fcc. As superligas à base de Ni são ligas com níquel como elemento primário de liga e são preferidas como material de lâmina nas aplicações discutidas anteriormente, em vez de superligas à base de Co ou Fe. O que é significativo para as superligas à base de Ni é sua alta resistência, fluência e resistência à corrosão em altas temperaturas. É comum fundir pás de turbina em forma solidificada direcional ou em forma de cristal único.

No caso de ligas de alumínio, o reforço por precipitação pode aumentar a resistência ao escoamento do alumínio de cerca de cinco vezes até cerca de quinze vezes em relação ao alumínio não ligado. Especialmente a série 2xxx, que é ligada com cobre, pode ser endurecida por precipitação para resistências comparáveis ​​ao aço. Em termos de endurecimento por envelhecimento, as ligas de alumínio-cobre recozidas em solução podem ser envelhecidas naturalmente à temperatura ambiente por quatro dias ou mais para obter propriedades máximas, como dureza e resistência. Este processo é conhecido como envelhecimento natural. O processo de envelhecimento também pode ser acelerado em questão de horas após o tratamento da solução e têmpera pelo aquecimento da liga supersaturada a uma temperatura específica e mantida nessa temperatura por um tempo especificado. Este processo é chamado envelhecimento artificial. Normalmente, a liga de alumínio 6061 é tratada termicamente a 533°C (990°F) por um período de tempo suficiente, seguido de têmpera em água. O processo de endurecimento por precipitação pode ser realizado a 160°C (320°F) por 18 h, seguido de resfriamento ao ar. Este processo é novamente repetido a 177°C (350°F) por 8 h seguido de resfriamento ao ar.

No caso do cobre-berílio, a alta resistência desta liga é obtida também pelo endurecimento por precipitação. O endurecimento por precipitação resulta da precipitação de uma fase contendo berílio de uma solução sólida supersaturada de cobre puro. O cobre berílio é o mais duro e forte de qualquer liga de cobre (UTS até 1400 MPa), na condição totalmente tratada termicamente e trabalhada a frio. Combina alta resistência com qualidades não magnéticas e não faiscantes e é semelhante em propriedades mecânicas a muitos aços de liga de alta resistência, mas, em comparação com os aços, tem melhor resistência à corrosão.

Aço inoxidável 17-4PH

Por exemplo, o aço inoxidável endurecido por precipitação 17-4 PH (AISI 630) tem uma microestrutura inicial de austenita ou martensita. Os graus austeníticos são convertidos em graus martensíticos por meio de tratamento térmico (por exemplo, através de tratamento térmico a cerca de 1040 °C seguido de têmpera) antes que o endurecimento por precipitação possa ser feito. O tratamento de envelhecimento subsequente a cerca de 475 °C precipita  fases ricas em Nb e Cu que aumentam a resistência acima de 1000 MPa. Em todos os tratamentos térmicos realizados a microestrutura predominante é a ripa martensita. Ao contrário das ligas austeníticas, no entanto, o tratamento térmico fortalece os aços PH a níveis mais altos do que as ligas martensíticas. Os aços inoxidáveis ​​endurecidos por precipitação são designados pela série AISI 600. De todos os tipos de inoxidáveis ​​disponíveis, eles geralmente oferecem a maior combinação de alta resistência aliada a excelente tenacidade e resistência à corrosão. Eles são tão resistentes à corrosão quanto os graus austeníticos. Os usos comuns são na indústria aeroespacial e em algumas outras indústrias de alta tecnologia.

Exemplo – Ligas de Alumínio – Liga 6061

Em geral,  as ligas de alumínio da série 6000 são ligadas com magnésio e silício. A liga 6061 é uma das ligas mais utilizadas na série 6000. Tem boas propriedades mecânicas, é fácil de usinar, é soldável e pode ser endurecido por precipitação, mas não às altas resistências que 2000 e 7000 podem atingir. Tem muito boa resistência à corrosão e muito boa soldabilidade, embora resistência reduzida na zona de solda. As propriedades mecânicas do 6061 dependem muito da têmpera ou tratamento térmico do material. Em comparação com a liga 2024, a liga 6061 é mais facilmente trabalhada e permanece resistente à corrosão mesmo quando a superfície é desgastada.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
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Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Indústria metalmecânica

Endurecimento de Metais

Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.

Endurecimento é um processo metalúrgico de usinagem usado para aumentar a dureza de um metal. A dureza de um metal é diretamente proporcional à tensão de escoamento uniaxial no local da deformação imposta. Para melhorar a dureza de um metal puro, podemos usar diferentes maneiras, que incluem:

• Método Hall-Petch
• Endurecimento por Solução Sólida (liga)
• Endurecimento por Trabalho (Trabalho a Frio)
• endurecimento por precipitação
• Fortalecimento da transformação
• Endurecimento por Dispersão
• Endurecimento de Superfície

Endurecimento de Superfície – Endurecimento de Caso

O endurecimento da caixa ou endurecimento da superfície é o processo no qual a dureza da superfície (caixa) de um objeto é aprimorada, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. Após esse processo, a dureza da superfície, a resistência ao desgaste e a vida útil à fadiga são aprimoradas. Isso é realizado por vários processos, como um processo de carburação ou nitretação, pelo qual um componente é exposto a uma atmosfera carbonácea ou nitrogenada em temperatura elevada. Como foi escrito, duas características principais do material são influenciadas:

• Dureza e resistência ao desgaste são significativamente melhoradas. Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.
• A tenacidade não é influenciada negativamente. Tenacidade é a capacidade de um material de absorver energia e deformar plasticamente sem fraturar. Uma definição de tenacidade (para alta taxa de deformação, tenacidade à fratura) é que é uma propriedade indicativa da resistência de um material à fratura quando uma trinca (ou outro defeito de concentração de tensão) está presente.

Para ferro ou aço com baixo teor de carbono, que tem baixa ou nenhuma temperabilidade própria, o processo de endurecimento envolve a infusão de carbono ou nitrogênio adicional na camada superficial. O endurecimento da caixa é útil em peças como um came ou engrenagem de anel que deve ter uma superfície muito dura para resistir ao desgaste, juntamente com um interior resistente para resistir ao impacto que ocorre durante a operação. Além disso, o endurecimento superficial do aço tem uma vantagem sobre o endurecimento direto (isto é, o endurecimento uniforme do metal em toda a peça), porque os aços de baixo e médio carbono, menos caros, podem ser endurecidos superficialmente sem os problemas de distorção e rachaduras associados ao endurecimento. através do endurecimento de seções espessas. Uma camada de superfície externa rica em carbono ou nitrogênio (ou caso) é introduzido por difusão atômica da fase gasosa. A caixa tem normalmente cerca de 1 mm de profundidade e é mais dura do que o núcleo interno do material.

Classificação dos Métodos de Case Hardening

O endurecimento por tratamento de superfície pode ser classificado ainda como tratamentos de difusão ou tratamentos de aquecimento localizado. Os métodos de difusão introduzem elementos de liga que entram na superfície por difusão, seja como agentes de solução sólida ou como agentes de endurecimento que auxiliam na formação de martensita durante a têmpera subsequente. Neste processo, a concentração do elemento de liga é aumentada na superfície de um componente de aço. Os métodos de difusão incluem:

• Carburação. A cementação é um processo de cementação no qual a concentração de carbono na superfície de uma liga ferrosa (geralmente um aço com baixo teor de carbono) é aumentada pela difusão do ambiente circundante. A cementação produz uma superfície de produto dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de camada média), com excelente capacidade de carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e boa resistência à apreensão.
• Nitretação. A nitretação é um processo de cementação no qual a concentração de nitrogênio na superfície de um material ferroso é aumentada por difusão do ambiente circundante para criar uma superfície endurecida. A nitretação produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de caixa rasas) do produto com capacidade razoável para carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e excelente resistência à apreensão.
• Entediante. A boretação, também chamada de borotização, é um processo de difusão termoquímica semelhante à nitrocarbonetação, no qual os átomos de boro se difundem no substrato para produzir camadas superficiais duras e resistentes ao desgaste. O processo requer alta temperatura de tratamento (1073-1323 K) e longa duração (1-12 h), podendo ser aplicado a uma ampla gama de materiais como aços, ferro fundido, cermets e ligas não ferrosas.
• Endurecimento de titânio-carbono e nitreto de titânio. Nitreto de titânio (um material cerâmico extremamente duro), ou revestimentos de carboneto de titânio podem ser usados ​​nas ferramentas feitas deste tipo de aço através do processo de deposição física de vapor para melhorar o desempenho e a vida útil da ferramenta. O TiN tem uma dureza Vickers de 1800–2100 e tem uma cor dourada metálica.

Métodos de aquecimento localizado para cementação incluem:

• Endurecimento por chama. O endurecimento por chama é uma técnica de endurecimento de superfície que usa uma única tocha com uma cabeça especialmente projetada para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. É uma técnica semelhante ao endurecimento por indução. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
• Endurecimento por indução. O endurecimento por indução é uma técnica de endurecimento de superfície que usa bobinas de indução para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
• Endurecimento a laser. O endurecimento a laser é uma técnica de endurecimento de superfície que usa um feixe de laser para fornecer um meio muito rápido de aquecimento do metal, que é então resfriado rapidamente (geralmente por auto-têmpera). Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente.

Cementação – Vantagens e Aplicação

A cementação é um processo de cementação no qual a concentração de carbono na superfície de uma liga ferrosa (geralmente um aço com baixo teor de carbono) é aumentada pela difusão do ambiente circundante. A cementação produz uma superfície de produto dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de camada média), com excelente capacidade de carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e boa resistência à apreensão. A cementação é geralmente usada para aços de baixo carbono, que são aquecidos a uma temperatura suficiente para tornar o aço austenítico, seguido de têmpera e revenimento para formar uma microestrutura martensítica. Para que uma caixa martensítica de alto teor de carbono com boa resistência ao desgaste e à fadiga seja sobreposta a um núcleo de aço resistente de baixo carbono. Em sua aplicação mais antiga, as peças eram simplesmente colocadas em um recipiente adequado e cobertas com uma espessa camada de pó de carbono (pack cementação). Hoje, a peça de aço está exposta, a uma temperatura elevada (geralmente acima de 850°C), a uma atmosfera rica em um gás hidrocarboneto, como o metano (CH4). Na cementação a gás, comercialmente a variante mais importante da cementação, a fonte de carbono é uma atmosfera de forno rica em carbono produzida a partir de hidrocarbonetos gasosos, por exemplo, metano (CH₄), propano (C₃H₃) e butano (C4H₁₀), ou de hidrocarbonetos líquidos vaporizados. O calor aumenta a difusão do carbono nas regiões de superfície e subsuperfície do aço. A profundidade de difusão (profundidade de caso) segue uma dependência de tempo-temperatura tal que:

Profundidade do caso ∝ D . √ Tempo

 onde o fator de difusividade, D , depende da temperatura, da composição química do aço e do gradiente de concentração de carbono na superfície. Em termos de temperatura, o fator de difusividade aumenta exponencialmente em função da temperatura absoluta. Esta taxa de difusão aumenta muito com o aumento da temperatura; a taxa de adição de carbono a 925°C é cerca de 40% maior do que a 870°C. A profundidade de qualquer invólucro cementado é uma função do tempo e da temperatura.

Nitretação

A nitretação é um processo de cementação no qual a concentração de nitrogênio na superfície de um material ferroso é aumentada por difusão do ambiente circundante para criar uma superfície endurecida. A nitretação produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de caixa rasas) do produto com capacidade razoável para carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e excelente resistência à apreensão. Em contraste com a cementação, na nitretação, o nitrogênio é adicionado à ferrita em vez da austenita. Portanto, a nitretação não envolve aquecimento no campo da fase austenita e uma subseqüente têmpera para formar martensita. A temperatura é significativamente mais baixa e a faixa de 500 a 550 °C é normalmente usada. Esses processos são mais comumente usados ​​em aços de baixa liga e baixo teor de carbono. Eles também são usados ​​em aços de médio e alto carbono, titânio, alumínio e molibdênio. O endurecimento mais significativo é obtido com uma classe de aços-liga (tipo nitralloy) que contém aproximadamente 1% de Al. As aplicações típicas incluem a produção de componentes de máquinas, eixos, eixos, engrenagens, virabrequins, eixos de comando de válvulas, seguidores de came, peças de válvulas, parafusos de extrusão, ferramentas de fundição sob pressão ou matrizes de forjamento.

Carbonitretação

Carbonitretação é um tratamento térmico de cementação que introduz carbono e nitrogênio na austenita do aço conduzido de 1073 K a 1173 K. Este tratamento é semelhante à cementação, pois a composição da austenita é alterada e a alta dureza superficial é produzida pela têmpera para formar a martensita. A carbonitretação é frequentemente aplicada a aços de baixo carbono facilmente usinados e baratos para conferir as propriedades de superfície de tipos de aço mais caros e difíceis de trabalhar sem a necessidade de têmpera drástica, resultando em menos distorção e reduzindo o perigo de trincas no trabalho. A dureza superficial das peças carbonitretadas varia de 55 a 62 HRC. A carbonitretação (cerca de 850 °C / 1550 °F) é realizada a temperaturas substancialmente mais altas que a nitretação simples (cerca de 530 °C / 990 °F), mas ligeiramente inferiores às usadas para cementação (cerca de 950 °C / 1700 °F) e por tempos mais curtos. Frequentemente é realizada em peças de transmissão de potência, como dentes de engrenagens, cames, eixos, mancais, que são submetidas a condições operacionais de fadiga estrutural e superficial.

Vá em frente

A boretação, também chamada de boronização, é um processo de difusão termoquímica semelhante à nitrocarbonetação, no qual os átomos de boro se difundem no substrato para produzir camadas superficiais duras e resistentes ao desgaste. O processo requer alta temperatura de tratamento (1073-1323 K) e longa duração (1-12 h), podendo ser aplicado a uma ampla gama de materiais como aços, ferro fundido, cermets e ligas não ferrosas. A superfície resultante contém boretos de metal, como boretos de ferro, boretos de níquel e boretos de cobalto. Como materiais puros, esses boretos têm dureza e resistência ao desgaste extremamente altas.

Suas propriedades favoráveis ​​se manifestam mesmo quando são uma pequena fração do sólido a granel. As propriedades das camadas de boreto são geralmente superiores àquelas formadas por nitretação e carburação, principalmente em termos de dureza. A maioria das superfícies de aço boretado terá durezas de camada de boreto de ferro variando de 1200-1600 HV. Superligas à base de níquelcomo Inconel e Hastalloys normalmente têm durezas de camada de boreto de níquel de 1700-2300 HV. A dureza da camada de boreto pode ser mantida em temperaturas mais altas do que, por exemplo, nos casos nitretados. Por outro lado, tanto a cementação a gás quanto a nitretação a plasma têm vantagem sobre a boronização porque esses dois processos oferecem custos operacionais e de manutenção reduzidos, requerem tempos de processamento mais curtos e são relativamente fáceis de operar. A boretação é normalmente usada para muitas aplicações de alto desempenho, como automotiva, máquinas-ferramentas, aeroespacial, ferramentas hidráulicas, agricultura e indústrias de defesa, etc.

Revestimentos de nitreto de titânio e carboneto de titânio

Nitreto de titânio (um material cerâmico extremamente duro), ou revestimentos de carboneto de titânio podem ser usados ​​nas ferramentas feitas deste tipo de aço através do processo de deposição física de vapor para melhorar o desempenho e a vida útil da ferramenta.

O TiN tem uma dureza Vickers de 1800–2100 e tem uma cor dourada metálica. Um uso bem conhecido para o revestimento de TiN é para retenção de arestas e resistência à corrosão em ferramentas de máquinas, como brocas e fresas, muitas vezes melhorando sua vida útil por um fator de três ou mais.

O TiC é um material cerâmico refratário extremamente duro (Mohs 9–9,5), semelhante ao carboneto de tungstênio. Também é usado como um revestimento de superfície resistente à abrasão em peças metálicas, como brocas de ferramentas e mecanismos de relógios. O carboneto de titânio também é usado como revestimento de escudo térmico para a reentrada atmosférica de espaçonaves.

Por exemplo, o aço rápido de molibdênio – AISI M2 é o HSS industrial “padrão” e mais amplamente utilizado. Este tipo de aço pode ser revestido com nitreto de titânio. Os aços rápidos de molibdênio são designados como aços do Grupo M de acordo com o sistema de classificação AISI. O M2 HSS possui carbonetos pequenos e distribuídos uniformemente, proporcionando alta resistência ao desgaste, embora sua sensibilidade à descarbonetação seja um pouco alta. Geralmente é usado para fabricar uma variedade de ferramentas, como brocas, machos e alargadores. Os teores de carbono e liga são equilibrados em níveis suficientes para fornecer alta resposta de endurecimento atingível, excelente resistência ao desgaste, alta resistência aos efeitos de amolecimento de temperatura elevada e boa tenacidade para uso eficaz em aplicações de corte industrial.

Endurecimento por Indução

O endurecimento por indução é uma técnica de endurecimento de superfície que usa bobinas de indução para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento. A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe₃C). A têmpera por indução produz superfícies duras e altamente resistentes ao desgaste (profundas profundidades de camada) com boa capacidade para carga de contato e boa resistência à fadiga por flexão. O material tem razoável resistência à apreensão.

O aquecimento é realizado colocando uma peça de aço no campo magnético gerado pela corrente alternada de alta frequência que passa por um indutor, geralmente uma bobina de cobre refrigerada a água. Essas chamadas correntes parasitas dissipam energia e produzem calor fluindo contra a resistência de um condutor imperfeito. Com o aquecimento por indução, o aço pode ser aquecido muito rapidamente até ficar incandescente na superfície, antes que o calor possa penetrar qualquer distância no metal. A superfície é então resfriada, endurecendo-o e geralmente é usado sem revenimento adicional. Isso torna a superfície muito resistente ao desgaste, e o núcleo do componente permanece inalterado pelo tratamento e suas propriedades físicas são as mesmas da barra da qual foi usinado, enquanto a dureza do invólucro pode estar dentro da faixa de 37/58 HRC . Os aços de carbono médio de baixa liga e endurecidos por indução são amplamente utilizados em aplicações automotivas e de máquinas críticas que requerem alta resistência ao desgaste. Um uso comum para o endurecimento por indução é o endurecimento das superfícies dos mancais, ou “mancais”, em virabrequins automotivos ou nas hastes dos cilindros hidráulicos. O comportamento de resistência ao desgaste de peças endurecidas por indução depende da profundidade de endurecimento e da magnitude e distribuição da tensão de compressão residual na camada superficial.

Endurecimento por chama

O endurecimento por chama é uma técnica de endurecimento de superfície que usa uma única tocha com uma cabeça especialmente projetada para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. É uma técnica semelhante ao endurecimento por indução. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.

A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe3C). O endurecimento por chama produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de camada profunda) com boa capacidade para carga de contato e boa resistência à fadiga por flexão. Pode ser usado para endurecimento de aços de baixo custo e requer baixo investimento de capital.

Um uso comum para o endurecimento por indução é o endurecimento de peças grandes, como engrenagens e caminhos de máquinas-ferramenta, com tamanhos ou formas que tornariam o tratamento térmico do forno impraticável. A engrenagem geralmente será resfriada e revenida até uma dureza específica primeiro, tornando a maior parte da engrenagem resistente e, em seguida, os dentes são rapidamente aquecidos e imediatamente temperados, endurecendo apenas a superfície. O comportamento de resistência ao desgaste de peças endurecidas por indução depende da profundidade de endurecimento e da magnitude e distribuição da tensão de compressão residual na camada superficial.

Endurecimento a laser

O endurecimento a laser é uma técnica de endurecimento de superfície que usa um feixe de laser para fornecer um meio muito rápido de aquecimento do metal, que é então resfriado rapidamente (geralmente por auto-têmpera). Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. O calor gerado pela absorção da luz do laser é controlado para evitar a fusão e, portanto, é usado na austenitização seletiva de regiões superficiais locais. O fenômeno de auto-extinção se aplica após a remoção da fonte de calor da zona de interação. A energia térmica absorvida pela camada superficial é rapidamente distribuída para toda a peça de trabalho.

A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe3C). O endurecimento a laser produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de revestimento rasas). Zonas superficiais finas que são aquecidas e resfriadas muito rapidamente resultam em microestruturas martensíticas muito finas, mesmo em aços com temperabilidade relativamente baixa. A têmpera a laser é amplamente usada para endurecer áreas localizadas de componentes de máquinas de aço e ferro fundido. As principais vantagens são: possibilidade de tratamento térmico superficial seletivo de peças complexas, deformações mínimas das peças processadas, processo rápido, limpo e controlado por computador.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Indústria metalmecânica

Endurecimento de Metais

Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.

Endurecimento é um processo metalúrgico de usinagem usado para aumentar a dureza de um metal. A dureza de um metal é diretamente proporcional à tensão de escoamento uniaxial no local da deformação imposta. Para melhorar a dureza de um metal puro, podemos usar diferentes maneiras, que incluem:

• Método Hall-Petch
• Endurecimento por Solução Sólida (liga)
• Endurecimento por Trabalho (Trabalho a Frio)
• endurecimento por precipitação
• Fortalecimento da transformação
• Endurecimento por Dispersão
• Endurecimento de Superfície

Endurecimento da Transformação

O endurecimento por transformação, também conhecido como endurecimento por transformação martensítica, é um dos métodos mais comuns de endurecimento, que é usado principalmente para aços (ou seja, aços carbono e aços inoxidáveis). A transformação martensítica não é, entretanto, exclusiva das ligas ferro-carbono. É encontrado em outros sistemas e é caracterizado, em parte, pela transformação sem difusão.

Os aços martensíticos usam predominantemente níveis mais altos de C e Mn, juntamente com tratamento térmico para aumentar a resistência. O produto acabado terá uma microestrutura duplex de ferrita com vários níveis de martensita degenerada. Isso permite vários níveis de força. Na metalurgia, a têmpera é mais comumente usada para endurecer o aço pela introdução de martensita. Existe um equilíbrio entre dureza e tenacidade em qualquer aço; quanto mais duro o aço, menos duro ou resistente a impactos ele é, e quanto mais resistente a impactos, menos duro ele é.

A martensita é produzida a partir da austenita como resultado da têmpera ou outra forma de resfriamento rápido. A austenita em ligas de ferro-carbono geralmente está presente apenas acima da temperatura eutetóide crítica (723°C) e abaixo de 1500°C, dependendo do teor de carbono. No caso de taxas normais de resfriamento, conforme a austenita esfria, o carbono se difunde para fora da austenita e forma carboneto de ferro rico em carbono (cementita) e deixa para trás a ferrita pobre em carbono. Dependendo da composição da liga, uma camada de ferrita e cementita, chamada perlita, pode se formar. Mas em caso de resfriamento rápido, o carbono não tem tempo suficiente para se difundir e se transforma em uma forma tetragonal de corpo centrado altamente deformada chamada martensita que é supersaturada com carbono. Todos os átomos de carbono permanecem como impurezas intersticiais na martensita. A taxa de resfriamento determina as proporções relativas de martensita, ferrita,

Martensita Temperada

A capacidade relativa de uma liga ferrosa de formar martensita é chamada de temperabilidade. A temperabilidade é comumente medida como a distância abaixo de uma superfície temperada na qual o metal exibe uma dureza específica de 50 HRC, por exemplo, ou uma porcentagem específica de martensita na microestrutura. A maior dureza de um aço perlítico é de 43 HRC, enquanto a martensita pode atingir 72 HRC. A martensita fresca é muito frágil se o teor de carbono for superior a aproximadamente 0,2 a 0,3%. É tão frágil que não pode ser usado para a maioria das aplicações. Essa fragilidade pode ser removida (com alguma perda de dureza) se o aço temperado for levemente aquecido em um processo conhecido como revenido.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Metalworking

Temperatura Crítica do Aço

A temperatura crítica do aço define a transição de fase entre duas fases do aço. À medida que o aço é aquecido acima da temperatura crítica, cerca de 1335°F (724°C), ele sofre uma mudança de fase, recristalizando como austenita. Existem dois tipos de temperatura crítica:

• Temperatura crítica mais baixa (Ac1). A temperatura na qual a austenita começa a se transformar de ferrita.
• Temperatura crítica superior (Ac3). A temperatura na qual a austenita é completamente transformada de ferrita.

No sistema Fe-C, há um ponto eutetóide em aproximadamente 0,8% em peso C, 723°C. A fase logo acima da temperatura eutetóide para aços carbono simples é conhecida como austenita ou gama.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Diagrama de fases

Uma liga é uma mistura de dois ou mais materiais, pelo menos um dos quais é um metal. As ligas podem ter uma microestrutura que consiste em soluções sólidas, onde os átomos secundários são introduzidos como substitucionais ou intersticiais em uma rede cristalina. Uma liga também pode ser uma mistura de fases metálicas (duas ou mais soluções, formando uma microestrutura de diferentes cristais dentro do metal).

Mas todas as ligas podem existir em diferentes fases. Fases são estados fisicamente homogêneos de uma liga. Uma fase tem uma composição química precisa – um certo arranjo e ligação entre os átomos. Essa estrutura de átomos confere diferentes propriedades a diferentes fases. Diagramas de fase são representações gráficas das fases presentes em uma liga em diferentes condições de temperatura, pressão ou composição química.

Diagrama de fases do sistema ferro-carbono

As ligas ferrosas mais simples são conhecidas como aços e consistem em ferro (Fe) ligado com carbono (C) (cerca de 0,1% a 1%, dependendo do tipo). Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência. Devido à sua resistência muito alta, mas tenacidade ainda substancial, e sua capacidade de ser muito alterada pelo tratamento térmico, o aço é uma das ligas ferrosas mais úteis e comuns em uso moderno. Na figura, há o carboneto de ferro-ferro (Fe-Fe₃C) diagrama de fases. A porcentagem de carbono presente e a temperatura definem a fase da liga de ferro-carbono e, portanto, suas características físicas e propriedades mecânicas. A porcentagem de carbono determina o tipo de liga ferrosa: ferro, aço ou ferro fundido.

Fases Comuns em Aços e Ferros

O tratamento térmico de aços requer uma compreensão tanto das fases de equilíbrio quanto das fases metaestáveis ​​que ocorrem durante o aquecimento e/ou resfriamento. Para os aços, as fases de equilíbrio estável incluem:

• Ferrita. A ferrita ou α-ferrita é uma fase de estrutura cúbica de corpo centrado do ferro que existe abaixo de temperaturas de 912°C para baixas concentrações de carbono no ferro. A α-ferrita só pode dissolver até 0,02% do carbono a 727°C. Isso ocorre devido à configuração da rede de ferro que forma uma estrutura cristalina BCC. A fase primária de baixo teor de carbono ou aço macio e a maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é α-Fe ferromagnético.
• Austenita. A austenita, também conhecida como ferro de fase gama (γ-Fe), é uma fase de estrutura cúbica de face centrada não magnética do ferro. A austenita em ligas de ferro-carbono geralmente está presente apenas acima da temperatura eutetóide crítica (723°C) e abaixo de 1500°C, dependendo do teor de carbono. No entanto, pode ser mantido à temperatura ambiente por adições de ligas como níquel ou manganês. O carbono desempenha um papel importante no tratamento térmico, porque expande a faixa de temperatura de estabilidade da austenita. O teor de carbono mais alto reduz a temperatura necessária para austenitizar o aço – de modo que os átomos de ferro se rearranjam para formar uma estrutura de treliça FCC. A austenita está presente no tipo de aço inoxidável mais comumente usado, que é muito conhecido por sua resistência à corrosão.
• Grafite. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência.
• Cementita. A cementita (Fe₃C) é um composto metaestável e, em algumas circunstâncias, pode se dissociar ou se decompor para formar α-ferrita e grafite, de acordo com a reação: Fe₃C → 3Fe (α) + C (grafite). A cementita em sua forma pura é uma cerâmica e é dura e quebradiça, o que a torna adequada para o reforço de aços. Suas propriedades mecânicas são função de sua microestrutura, que depende de como ele é misturado com a ferrita.

As fases metaestáveis ​​são:

• Perlita. Na metalurgia, a perlita é uma estrutura metálica em camadas de duas fases, composta por camadas alternadas de ferrita (87,5% em peso) e cementita (12,5% em peso) que ocorre em alguns aços e ferros fundidos. É nomeado por sua semelhança com a madrepérola.
• Martensita. A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe₃C).
• Bainita. A bainita é uma microestrutura semelhante a uma placa que se forma nos aços a partir da austenita quando as taxas de resfriamento não são rápidas o
  suficiente para produzir martensita, mas ainda são rápidas o suficiente para que o carbono não tenha tempo suficiente para se difundir para formar a perlita. Os aços bainíticos são geralmente mais fortes e duros que os aços perlíticos; ainda assim, exibem uma combinação desejável de resistência e ductilidade.

Temperatura Crítica do Aço

A temperatura crítica do aço define a transição de fase entre duas fases do aço. À medida que o aço é aquecido acima da temperatura crítica, cerca de 1335°F (724°C), ele sofre uma mudança de fase, recristalizando como austenita. Existem dois tipos de temperatura crítica:

• Temperatura crítica mais baixa (Ac1). A temperatura na qual a austenita começa a se transformar de ferrita.
• Temperatura crítica superior (Ac3). A temperatura na qual a austenita é completamente transformada de ferrita.

No sistema Fe-C, há um ponto eutetóide em aproximadamente 0,8% em peso C, 723°C. A fase logo acima da temperatura eutetóide para aços carbono simples é conhecida como austenita ou gama.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
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Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

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Ciência dos Materiais

A ferrita ou α-ferrita é uma fase de estrutura cúbica de corpo centrado do ferro que existe abaixo de temperaturas de 912°C para baixas concentrações de carbono no ferro. A α-ferrita só pode dissolver até 0,02% do carbono a 727°C. Isso ocorre devido à configuração da rede de ferro que forma uma estrutura cristalina BCC. Em um arranjo de átomos bcc (BCC), a célula unitária consiste em oito átomos nos cantos de um cubo e um átomo no centro do corpo do cubo. Em um arranjo bcc, uma célula unitária contém (8 átomos de canto × ⅛) + (1 átomo central × 1) = 2 átomos. O empacotamento é mais eficiente (68%) do que o cúbico simples e a estrutura é comum para metais alcalinos e metais de transição iniciais.

A fase primária de baixo teor de carbono ou aço macio e a maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é α-Fe ferromagnético. Tem uma dureza de aproximadamente 80 Brinell. Aço doce (aço carbono com até cerca de 0,2% em peso C) consiste principalmente de α-Fe e quantidades crescentes de cementita (Fe₃C, um carboneto de ferro). A mistura adota uma estrutura laminar chamada perlita. Como a bainita e a perlita contêm α-Fe como componente, qualquer liga de ferro-carbono conterá alguma quantidade de α-Fe se for permitido atingir o equilíbrio à temperatura ambiente. A quantidade de α-Fe depende do processo de resfriamento.

d-ferrita

A fase δ-ferrita tem uma estrutura semelhante, uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC), como a da α-ferrita, mas existe apenas em altas temperaturas. A fase pode ser vista no canto superior esquerdo do gráfico. Tem um ponto de fusão de 1538 °C.

Aço de baixo carbono

O aço de baixo teor de carbono, também conhecido como aço macio, é agora a forma mais comum de aço porque seu preço é relativamente baixo, ao mesmo tempo em que fornece propriedades de material aceitáveis ​​para muitas aplicações. O aço de baixo carbono contém aproximadamente 0,05–0,25% de carbono, tornando-o maleável e dúctil. O aço macio tem uma resistência à tração relativamente baixa, mas é barato e fácil de formar; a dureza da superfície pode ser aumentada através da cementação.

Aplicações típicas incluem componentes de carrocerias de automóveis, formas estruturais (por exemplo, vigas em I, canais e cantoneiras) e chapas usadas em tubulações e edifícios. Por exemplo, o aço A36 é um aço estrutural comum nos Estados Unidos. Chapas de aço de baixo carbono usadas para aplicações em carrocerias, por exemplo, são submetidas a uma variedade de operações de conformação, incluindo estampagem profunda. As microestruturas consistem em constituintes de ferrita e perlita. Como consequência, essas ligas são relativamente macias e fracas, mas possuem excelente ductilidade e tenacidade. Além disso, eles são usináveis, soldáveis ​​e, de todos os aços, são os menos caros de produzir. A densidade deste metal é de 7861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³) e a resistência à tração é de no máximo 500 MPa (72500 psi).

Aço Inoxidável Ferrítico

Nos aços inoxidáveis ​​ferríticos, o carbono é mantido em níveis baixos (C<0,08%) e o teor de cromo pode variar de 10,50 a 30,00%. Elas são chamadas de ligas ferríticas porque contêm principalmente microestruturas ferríticas em todas as temperaturas e não podem ser endurecidas por meio de tratamento térmico e têmpera. Eles são classificados com as designações da série AISI 400. Enquanto alguns graus ferríticos contêm molibdênio (até 4,00%), apenas o cromo está presente como o principal elemento de liga metálica. Eles são geralmente limitados em uso a seções relativamente finas devido à falta de tenacidade nas soldas. Além disso, eles têm resistência a altas temperaturas relativamente fraca. Os aços ferríticos são escolhidos por sua resistência à corrosão sob tensão, o que os torna uma alternativa atraente aos aços inoxidáveis ​​austeníticos em aplicações onde a SCC induzida por cloreto é predominante.

Outras fases comuns em aços e ferros

O tratamento térmico de aços requer uma compreensão tanto das fases de equilíbrio quanto das fases metaestáveis ​​que ocorrem durante o aquecimento e/ou resfriamento. Para os aços, as fases de equilíbrio estável incluem:

• Ferrita. A ferrita ou α-ferrita é uma fase de estrutura cúbica de corpo centrado do ferro que existe abaixo de temperaturas de 912°C para baixas concentrações de carbono no ferro. A α-ferrita só pode dissolver até 0,02% do carbono a 727°C. Isso ocorre devido à configuração da rede de ferro que forma uma estrutura cristalina BCC. A fase primária de baixo teor de carbono ou aço macio e a maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é α-Fe ferromagnético.
• Austenita. A austenita, também conhecida como ferro de fase gama (γ-Fe), é uma fase de estrutura cúbica de face centrada não magnética do ferro. A austenita em ligas de ferro-carbono geralmente está presente apenas acima da temperatura eutetóide crítica (723°C) e abaixo de 1500°C, dependendo do teor de carbono. No entanto, pode ser mantido à temperatura ambiente por adições de ligas como níquel ou manganês. O carbono desempenha um papel importante no tratamento térmico, porque expande a faixa de temperatura de estabilidade da austenita. O teor de carbono mais alto reduz a temperatura necessária para austenitizar o aço – de modo que os átomos de ferro se rearranjam para formar uma estrutura de treliça FCC. A austenita está presente no tipo de aço inoxidável mais comumente usado, que é muito conhecido por sua resistência à corrosão.
• Grafite. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência.
• Cementita. A cementita (Fe₃C) é um composto metaestável e, em algumas circunstâncias, pode se dissociar ou se decompor para formar α-ferrita e grafite, de acordo com a reação: Fe₃C → 3Fe (α) + C (grafite). A cementita em sua forma pura é uma cerâmica e é dura e quebradiça, o que a torna adequada para o reforço de aços. Suas propriedades mecânicas são função de sua microestrutura, que depende de como ele é misturado com a ferrita.

As fases metaestáveis ​​são:

• Perlita. Na metalurgia, a perlita é uma estrutura metálica em camadas de duas fases, composta por camadas alternadas de ferrita (87,5% em peso) e cementita (12,5% em peso) que ocorre em alguns aços e ferros fundidos. É nomeado por sua semelhança com a madrepérola.
• Martensita. A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe₃C).
• Bainita. A bainita é uma microestrutura semelhante a uma placa que se forma nos aços a partir da austenita quando as taxas de resfriamento não são rápidas o
  suficiente para produzir martensita, mas ainda são rápidas o suficiente para que o carbono não tenha tempo suficiente para se difundir para formar a perlita. Os aços bainíticos são geralmente mais fortes e duros que os aços perlíticos; ainda assim, exibem uma combinação desejável de resistência e ductilidade.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
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William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
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Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Diagrama de fases

Diagrama de fases do sistema ferro-carbono

As ligas ferrosas mais simples são conhecidas como aços e consistem em ferro (Fe) ligado com carbono (C) (cerca de 0,1% a 1%, dependendo do tipo). Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência. Devido à sua resistência muito alta, mas tenacidade ainda substancial , e sua capacidade de ser muito alterada pelo tratamento térmico, o aço é uma das ligas ferrosas mais úteis e comuns em uso moderno. Na figura, há o carboneto de ferro-ferro (Fe-Fe₃C) diagrama de fases. A porcentagem de carbono presente e a temperatura definem a fase da liga de ferro-carbono e, portanto, suas características físicas e propriedades mecânicas. A porcentagem de carbono determina o tipo de liga ferrosa: ferro, aço ou ferro fundido.

Fases Comuns em Aços e Ferros

O tratamento térmico de aços requer uma compreensão tanto das fases de equilíbrio quanto das fases metaestáveis ​​que ocorrem durante o aquecimento e/ou resfriamento. Para os aços, as fases de equilíbrio estável incluem:

• Ferrita. A ferrita ou α-ferrita é uma fase de estrutura cúbica de corpo centrado do ferro que existe abaixo de temperaturas de 912°C para baixas concentrações de carbono no ferro. A α-ferrita só pode dissolver até 0,02% do carbono a 727°C. Isso ocorre devido à configuração da rede de ferro que forma uma estrutura cristalina BCC. A fase primária de baixo teor de carbono ou aço macio e a maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é α-Fe ferromagnético.
• Austenita. A austenita, também conhecida como ferro de fase gama (γ-Fe), é uma fase de estrutura cúbica de face centrada não magnética do ferro. A austenita em ligas de ferro-carbono geralmente está presente apenas acima da temperatura eutetóide crítica (723°C) e abaixo de 1500°C, dependendo do teor de carbono. No entanto, pode ser mantido à temperatura ambiente por adições de ligas como níquel ou manganês. O carbono desempenha um papel importante no tratamento térmico, porque expande a faixa de temperatura de estabilidade da austenita. O teor de carbono mais alto reduz a temperatura necessária para austenitizar o aço – de modo que os átomos de ferro se rearranjam para formar uma estrutura de treliça FCC. A austenita está presente no tipo de aço inoxidável mais comumente usado, que é muito conhecido por sua resistência à corrosão.
• Grafite. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência.
• Cementita. A cementita (Fe₃C) é um composto metaestável e, em algumas circunstâncias, pode se dissociar ou se decompor para formar α-ferrita e grafite, de acordo com a reação: Fe₃C → 3Fe (α) + C (grafite). A cementita em sua forma pura é uma cerâmica e é dura e quebradiça, o que a torna adequada para o reforço de aços. Suas propriedades mecânicas são função de sua microestrutura, que depende de como ele é misturado com a ferrita.

As fases metaestáveis ​​são:

• Perlita. Na metalurgia, a perlita é uma estrutura metálica em camadas de duas fases, composta por camadas alternadas de ferrita (87,5% em peso) e cementita (12,5% em peso) que ocorre em alguns aços e ferros fundidos. É nomeado por sua semelhança com a madrepérola.
• Martensita. A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe₃C).
• Bainita. A bainita é uma microestrutura semelhante a uma placa que se forma nos aços a partir da austenita quando as taxas de resfriamento não são rápidas o
  suficiente para produzir martensita, mas ainda são rápidas o suficiente para que o carbono não tenha tempo suficiente para se difundir para formar a perlita. Os aços bainíticos são geralmente mais fortes e duros que os aços perlíticos; ainda assim, exibem uma combinação desejável de resistência e ductilidade.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Diagrama de fases

Na metalurgia, a perlita é uma estrutura metálica em camadas de duas fases, composta por camadas alternadas de ferrita (87,5% em peso) e cementita (12,5% em peso) que ocorre em alguns aços e ferros fundidos. É nomeado por sua semelhança com a madrepérola. Se o aço (austenita) com uma composição eutetóide de aproximadamente 0,77% C for lentamente resfriado abaixo de 727 °C, a ferrita e a fase de cementita se separam quase simultaneamente para produzir uma microestrutura com plaquetas distintas. Essa microestrutura distinta do aço é chamada de perlita . Uma fase de ferrita tem um teor de carbono muito menor e a cementita tem uma concentração de carbono muito maior.

Em uma composição hipereutetóide (maior que 0,8% de carbono), o carbono irá primeiro precipitar como grandes inclusões de cementita nos limites de grão da austenita até que a porcentagem de carbono nos grãos diminua para a composição eutetóide (0,8% de carbono), na qual ponto as formas de estrutura de perlita.

Em uma composição hipoeutetóide, isso significa que quando aços de baixo carbono (com até 0,30% C) ou aços de médio carbono (com 0,30 a 0,60% C) são resfriados lentamente a partir da fase austenítica, algumas alfa-ferritas de baixo carbono se formam primeiro ao longo dos contornos de grão de austenita) até que a composição restante suba para 0,8% de carbono, ponto em que a estrutura de perlita se formará. Nenhuma grande inclusão de cementita se formará nos limites do aço hipoeutóide. O acima assume que o processo de resfriamento é muito lento, permitindo tempo suficiente para o carbono migrar.

Os aços estruturais mais comuns produzidos possuem uma microestrutura mista ferrita-perlita. Suas aplicações incluem vigas para pontes e arranha-céus, placas para navios e barras de reforço para estradas. Esses aços são relativamente baratos e são produzidos em grandes tonelagens.

Outras fases comuns em aços e ferros

O tratamento térmico de aços requer uma compreensão tanto das fases de equilíbrio quanto das fases metaestáveis ​​que ocorrem durante o aquecimento e/ou resfriamento. Para os aços, as fases de equilíbrio estável incluem:

• Ferrita. A ferrita ou α-ferrita é uma fase de estrutura cúbica de corpo centrado do ferro que existe abaixo de temperaturas de 912°C para baixas concentrações de carbono no ferro. A α-ferrita só pode dissolver até 0,02% do carbono a 727°C. Isso ocorre devido à configuração da rede de ferro que forma uma estrutura cristalina BCC. A fase primária de baixo teor de carbono ou aço macio e a maioria dos ferros fundidos à temperatura ambiente é α-Fe ferromagnético.
• Austenita. A austenita, também conhecida como ferro de fase gama (γ-Fe), é uma fase de estrutura cúbica de face centrada não magnética do ferro. A austenita em ligas de ferro-carbono geralmente está presente apenas acima da temperatura eutetóide crítica (723°C) e abaixo de 1500°C, dependendo do teor de carbono. No entanto, pode ser mantido à temperatura ambiente por adições de ligas como níquel ou manganês. O carbono desempenha um papel importante no tratamento térmico, porque expande a faixa de temperatura de estabilidade da austenita. O teor de carbono mais alto reduz a temperatura necessária para austenitizar o aço – de modo que os átomos de ferro se rearranjam para formar uma estrutura de treliça FCC. A austenita está presente no tipo de aço inoxidável mais comumente usado, que é muito conhecido por sua resistência à corrosão.
• Grafite. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência.
• Cementita. A cementita (Fe₃C) é um composto metaestável e, em algumas circunstâncias, pode se dissociar ou se decompor para formar α-ferrita e grafite, de acordo com a reação: Fe₃C → 3Fe (α) + C (grafite). A cementita em sua forma pura é uma cerâmica e é dura e quebradiça, o que a torna adequada para o reforço de aços. Suas propriedades mecânicas são função de sua microestrutura, que depende de como ele é misturado com a ferrita.

As fases metaestáveis ​​são:

• Perlita. Na metalurgia, a perlita é uma estrutura metálica em camadas de duas fases, composta por camadas alternadas de ferrita (87,5% em peso) e cementita (12,5% em peso) que ocorre em alguns aços e ferros fundidos. É nomeado por sua semelhança com a madrepérola.
• Martensita. A martensita é uma estrutura metaestável muito dura com uma estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (BCT). A martensita é formada nos aços quando a taxa de resfriamento da austenita é tão alta que os átomos de carbono não têm tempo de se difundir para fora da estrutura cristalina em quantidades suficientes para formar a cementita (Fe₃C).
• Bainita. A bainita é uma microestrutura semelhante a uma placa que se forma nos aços a partir da austenita quando as taxas de resfriamento não são rápidas o
  suficiente para produzir martensita, mas ainda são rápidas o suficiente para que o carbono não tenha tempo suficiente para se difundir para formar a perlita. Os aços bainíticos são geralmente mais fortes e duros que os aços perlíticos; ainda assim, exibem uma combinação desejável de resistência e ductilidade.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Diagrama de fases