Tratamento térmico dos materiais - Conceitos

O tratamento térmico consiste em aquecer uma peça de metal a uma determinada temperatura, manter nessa temperatura por algum tempo e resfriar numa determinada velocidade em função do tratamento desejado, para que a peça atinja as propriedades mecânicas desejadas, como dureza, elasticidade, ductilidade e resistência à tração, que são as chamadas propriedades mecânicas do metal.
O tratamento térmico provoca mudanças nas propriedades mecânicas do aço, essas mudanças dependem de três fatores:
• Temperatura de aquecimento;
• Velocidade de resfriamento e;
• Composição química do material.

O aço se compõe de um aglomerado compacto de átomos, arranjados ordenadamente, denominado estrutura cristalina.
As três mais comuns são:
• Reticulado cúbico de corpo centrado (CCC). Os átomos assumem uma posição no espaço, com forma de cubo, com átomos nos vértices e, um, no centro do cubo. • Reticulado cúbico de face centrada (CFC). Os átomos ocupam os vértices e os centros das faces do cubo.
• Reticulado hexagonal compacto (HC). Os átomos estão dispostos nos vértices de um prisma de base hexagonal, dois átomos nos centros da base e mais três no seu interior.
Alguns dos constituintes da estrutura do aço são: ferrita, cementita, perlita.
A ferrita - é uma estrutura cúbica de corpo centrado (CCC). Os átomos que compõem essa estrutura se organizam bem juntos entre si, de modo que fica difícil a acomodação de átomos de carbono na rede cristalina. A estrutura da ferrita consegue acomodar, no máximo, 0,025% de átomos de carbono.
A cementita - constitui-se de 12 átomos de ferro e 4 átomos de carbono. É, portanto, um carboneto de ferro com dureza elevada, responsável pela dureza do aço. É representada por Fe3C.
A perlita - é formada de lâminas alternadas com 88% de ferrita e 12% de cementita.

É possível melhorar as propriedades do aço, adicionando, durante sua fabricação, outros elementos químicos, como níquel, molibdênio, tungstênio, vanádio, crômio.
Exemplo de mudanças no:
Aquecimento do aço
Num aço que tenha, por exemplo, 0,4% de carbono, ao ser aquecido, ocorre o seguinte:
• Numa temperatura de 300ºC, a estrutura do aço é igual à sua estrutura na temperatura ambiente: ferrita e perlita;
• Em temperatura de 760ºC, inicia-se uma transformação na estrutura do aço: a perlita se transforma em austenita e a ferrita permanece estável;
• Em temperatura de 850ºC, toda a estrutura do aço se transforma em austenita.
Resfriamento do aço:
• Em temperatura de 850ºC, a estrutura do aço é austenita;
• Em temperatura de 760ºC, parte da austenita desaparece, dando lugar à ferrita - permanecem, na estrutura, portanto, ferrita e austenita;
• Em temperatura de 700ºC, toda a austenita se transforma em ferrita e perlita - portanto, o aço volta à sua estrutura inicial;
• Em temperatura ambiente, a estrutura continua ferrita e perlita.
Se o aço for resfriado bruscamente (por exemplo, na água), ele se transformará em martensita, um constituinte duro, que pode ser visto com auxílio de microscópio metalográfico.

Tratamento termofísico
É o processo que altera a estrutura cristalina do material apenas pelo seu aquecimento e resfriamento. são eles:
Normalização - Consiste em refinar (diminuir) a granulação grosseira da peça, de modo que os grãos fiquem numa faixa de tamanho considerada normal.
No processo de normalização, a peça é levada ao forno com temperatura acima da zona crítica. O material se transforma em austenita. Depois de uma a três horas, a peça será resfriada lentamente.
A estrutura final do aço passa a apresentar grãos finos, distribuídos de forma homogênea.
Recozimento pleno - é possível diminuir sua dureza, aumentar a ductilidade, melhorar a usinabilidade e ajustar o tamanho do grão. Também são eliminadas as irregularidades resultantes de tratamento térmico ou mecânico, sofridas anteriormente.
O tratamento consiste em aquecer o aço num forno, numa temperatura acima da zona crítica. Após certo tempo, a peça será resfriada lentamente, o resfriamento lento pode ser conseguido desligando-se o forno e a peça resfriada no seu interior.
Têmpera – É um processo de tratamento térmico do aço destinado à obtenção de dureza. Uma têmpera feita corretamente possibilita vida longa à ferramenta, que não se desgasta nem se deforma rapidamente.
O processo consiste em aquecer o aço num forno com temperatura acima da zona crítica. A peça permanece nessa temperatura o tempo necessário para se transformar em austenita. O que distingue essa forma de tratamento é o seu processo de resfriamento. A peça é retirada do forno e mergulhada em água (por exemplo). A temperatura cai de 850ºC para 20ºC. Trata-se de um resfriamento brusco.
Quando a austenita é resfriada muito rapidamente, não há tempo para que se transforme em ferrita, cementita ou perlita. A austenita se transforma num novo constituinte do aço chamado martensita.
Ao aquecer o aço acima da zona crítica, o carbono da cementita (Fe3C) dissolve-se em austenita. Entretanto, na temperatura ambiente, o mesmo carbono não se dissolve na ferrita. Isso significa que os átomos de carbono se acomodam na estrutura CFC de austenita, mas não se infiltram na estrutura apertada - CCC - da ferrita.
No resfriamento rápido em água, os átomos de carbono ficam presos no interior da austenita. Desse modo, os átomos produzem considerável deformação no retículo da ferrita, dando tensão ao material e aumentando sua dureza.
Cuidados no resfriamento - O resfriamento brusco provoca o que se chama de choque térmico, ou seja, o impacto que o material sofre quando a temperatura a que está submetido varia de um momento para outro, podendo provocar danos irreparáveis ao material. Mas o resfriamento brusco é necessário à formação da martensita. Assim, dependendo da composição química do aço, podemos resfriá-lo de forma menos severa, usando óleo ou jato de ar.


Tratamento termoquímico
Os processos de tratamento térmico não alteram a composição química do aço, ou seja, o material, entretanto, às vezes, é necessário submeter o aço a modificações parciais em sua composição química para melhorar as propriedades de sua superfície.
Tem como objetivo principal aumentar a dureza e a resistência do material ao desgaste de sua superfície e, ao mesmo tempo, manter o núcleo dúctil (macio) e tenaz.
Cementação - Consiste em introduzir maiores quantidades de carbono em superfícies de aço com baixos teores de carbono. Por isso, é indicada para aços-carbonos ou aços-ligas cujo teor original de carbono seja inferior a 0,25%. A cementação aumenta esse teor até valores em torno de 1%, assegurando uma superfície dura e um núcleo tenaz.
Peças fabricadas em aço com porcentagem média ou alta de carbono, e que vão sofrer operações severas de dobramento, tendem a se trincar. Porém, se elas forem confeccionadas com aço de baixo carbono (SAE 1010) e, depois, forem conformadas e cementadas, teremos um bom resultado sem que as peças corram o risco de se trincar. A cementação pode ser sólida, gasosa, líquida.
Cementação sólida - A peça é colocada em uma caixa de aço contendo substâncias ricas em carbono. Em seguida, a peça é levada ao forno, a uma temperatura em torno de 930°C, durante o tempo necessário para obtenção da camada desejada. Depois, submete-se a peça à têmpera para que ela adquira dureza.
O tempo de permanência no forno pode variar de uma a trinta horas, e a camada cementada varia de 0,3mm a 2,0mm.
Nitretação - É indicada na obtenção de peças com superfície de maior dureza, para aumentar a resistência do desgaste, à fadiga, à corrosão e ao calor. Os aços que melhor se prestam a esse tratamento são os nitralloy steels, que são aços que contêm cromo, molibdênio, alumínio e um pouco de níquel. Em geral, a nitretação é feita depois da têmpera e do revenimento.
A nitretação pode ser feita a gás ou em banho de sal.
Carbonitretação - Esse processo consiste em introduzir carbono e nitrogênio na superfície do aço. O processo pode ser realizado em fornos de banhos de sal ou de atmosfera controlada (a gás). A superfície da camada carbonitretada adquire dureza e resistência ao desgaste, obtém-se uma camada com espessura de 0,07 a 0,7mm.
A carbonitretação é usada, geralmente, em peças de pequeno porte, como componentes de máquina de escrever, carburadores, relógios, aparelhos eletrodomésticos.
Estes são alguns conceitos sobre tratamentos térmicos dos materiais.