UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP
ENGENHARIA ELÉTRICA
Tempera em aço carbono
Prof. Dr. Fernando Cruz Barbieri
S.J. dos Campos - Dutra
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1. Diagrama Ferro-Carbono
• Ferro é o metal mais utilizado pelo homem.
•A abundância dos minerais, o custo relativamente
baixo de
produção e as múltiplas propriedades físico-químicas que podem ser
obtidas com adição de outros elementos de liga são fatores que
dão ao metal uma extensa variedade de aplicações
• Aço é a denominação genérica para ligas de ferro-carbono com
teores de carbono de 0,008 a 2,11%, contendo outros elementos
residuais do processo de produção e podendo conter outros
elementos de liga propositalmente adicionados.
•Ferro
fundido é a designação genérica para ligas de ferrocarbono com teores de carbono acima de 2,11%.
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1.1. O equilíbrio ferro-carbono
• Alguns elementos químicos apresentam variedades alotrópicas,
isto é, estruturas cristalinas diferentes que passam de uma
para
outra
em
determinadas
temperaturas,
chamadas
temperaturas de transição.
• O ferro apresenta 3 variedades, conforme a seguir descrito.
Ao se solidificar (temperatura de aproximadamente 1540°C), o
ferro apresenta estrutura cúbica de corpo centrado, chamada
de ferro delta (Fe ).
•
Permanece nesta condição até cerca de 1390ºC e, abaixo
desta, transforma-se em ferro gama (Fe ), com estrutura
cúbica de face centrada. Abaixo de 912°C, readquire a
estrutura cúbica de corpo centrado, agora chamada de ferro
alfa (Fe ).
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1.1. O equilíbrio ferro-carbono
Ligado com o carbono, o comportamento das variedades alotrópicas
do ferro e a solubilidade do carbono nele variam de forma
característica, dependendo da temperatura e do teor de carbono.
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1.2. Solubilidade de carbono em ferro
•O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os átomos
de carbono se colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro.
•A conseqüência prática deste tipo de solução é que teremos uma liga de baixo
custo e com possibilidades de uma grande variação nas propriedades dependendo
do teor de carbono e do tratamento térmico utilizado (versatilidade).
CARBONO
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1.2. Solubilidade de carbono em ferro
•Os interstícios variam de tamanho de acordo com a estrutura, isto é,
interstícios da estrutura CCC são menores do que os da estrutura CFC.
•Exemplo, no caso da liga ferro-carbono os raios máximos do interstícios
os
no
ferro corresponde a 0,36 ângstrons para a estrutura CCC, e 0,52 ângstrons
para a estrutura CFC.
• Como o raio atômico do carbono é de aproximadamente 0,77 ângstrons é fácil
notar que em qualquer situação teremos uma distorção do reticulado sempre que
um átomo de carbono se colocar em um interstício
• Isto significa que de acordo com o tamanho do interstício teremos um menor
ou maior espaço disponível para que um átomo de uma solução intersticial venha
se colocar naquela posição.
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1.2. Solubilidade de carbono em ferro
Ferro Puro= até 0,02% de Carbono
Aço= 0,02 até 2,06% de Carbono
Ferro Fundido= 2,1- 4,5% de Carbono
Fe3C (CEMENTITA)= 6,7% de C
FERRO  = FERRITA = 0,022 % de C
FERRO  = AUSTENITA = 2,11 % de C
FERRO  = FERRITA  = 0,09 % de C
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1.3. Fases sólidas presentes no diagrama Fe-Fe3C
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1.3. Fases sólidas presentes no diagrama Fe-Fe3C
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1.3. Fases sólidas presentes no diagrama Fe-Fe3C
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1.4 Diagrama Fe-Fe3C
AçO
FERRO FUNDIDO
Diagrama de fases Fe- Fe3C
, Ferrita (CCC)
eutético
, Austenita (CFC)
Transformações polimórficas
100X
eutetóide
, Ferrita (CCC)
Macia e magnética
Dura e quebradiça
(metaestável)
Cementita (Fe3C)
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1.5.Microestrura das fase sólidas do Fe-C
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
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1.5.Microestrura das fase sólidas do Fe-C
MICROESTRUTURAS / EUTETÓIDE
Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
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1.5.Microestrura das fase sólidas do Fe-C
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1.5.Microestrura das fase sólidas do Fe-C
MICROESTRUTURAS /HIPOEUTETÓIDE
Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
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1.5.Microestrura das fase sólidas do Fe-C
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1.5.Microestrura das fase sólidas do Fe-C
MICROESTRUTURAS /HIPEREUTETÓIDE
Supondo resfriamento lento para manter o equilíbrio
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1.5.Microestrura das fase sólidas do Fe-C
ALTO
0,85%C
Cementita
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2. Reações no estado sólido – não equilíbrio
Microestruturas
Microestruturas
“Supondo resfriamento fora do equilíbrio”
EFEITOS DO NÃO-EQUILÍBRIO:
• Ocorrências de fases ou transformações em temperaturas
diferentes daquela prevista no diagrama.
• Existência a temperatura ambiente de fases que não
aparecem no diagrama.
• Cinética das transformações: equação de Arrhenius
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2. Reações no estado sólido – não equilíbrio
Microestruturas
Microestruturas
BAINITA:
- Ocorre a uma temperatura inferior a do joelho
- Forma de agulhas que só podem ser vista com microscópio eletrônico
Dureza: bainita superior 40-45 Rc e bainita acidular 50-60 Rc
ESFEROIDITA:
-
É obtida pelo reaquecimento (abaixo do eutetóide) da perlita ou
bainita, durante um tempo bastante longo
TROOSTITA:
- os carbonetos precipitam de forma globular (forma escura)
- Tem baixa dureza (30-40 Rc)
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2. Reações no estado sólido – não equilíbrio
Microestruturas:
Microestruturas:
Bainita
Bainita
• Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas das fases
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2. Reações no estado sólido – não equilíbrio
Microestruturas:
Microestruturas: Martensita
Martensita
// Martensita
Martensita revenida
revenida
MARTENSITA:
- É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão)
- Forma de agulhas
- É dura e frágil
- Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase metaestável, por isso não
aparece no diagrama)
MARTENSITA REVENIDA:
- É obtida pelo reaquecimento da martensita (fase alfa + cementita)
- A dureza cai
- Os carbonetos precipitam
- Forma de agulhas escuras
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2. Reações no estado sólido – não equilíbrio
Martensita
Martensita
“A transformação Martensítica
ocorre com o aumento de volume.”
Martensita no Titânio
Martensita no Aço
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2. Reações no estado sólido – não equilíbrio
Transformações
Transformações
AUSTENITA
Ferro  (configuração CFC)
Resfriamento
lento
Perlita
( + Fe3C) + a
fase próeutetóide
Ferrita
ou Cementita
Resfriamento
Moderado
Resfriamento
Rápido (têmpera)
Bainita
Martensita
( + Fe3C)
(fase tetragonal)
reaquecimento
Martensita Revenida
 + Fe3C (cementita)
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TRATAMENTOS TÉRMICOS
FINALIDADE
Alterar
as
microestruturas
e
como
conseqüência as propriedades mecânicas, elétricas
e químicas das ligas metálicas.
•Operações
de aquecimento de um material a uma dada
temperatura e esfriamento após certo tempo, em condições
controladas, com a finalidade de dar ao material propriedades
especiais.
•São executados por alteração da velocidade de esfriamento e
da temperatura de aquecimento ou da temperatura a que são
esfriados ou de ambos.
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TRATAMENTOS TÉRMICOS
Objetivos:









Remoção de tensões internas;
Aumento ou diminuição da dureza;
Aumento da resistência mecânica;
Melhora da ductilidade;
Melhora da usinabilidade;
Melhora da resistência ao desgaste;
Melhora da resistência à corrosão;
Melhora da resistência ao calor;
Melhora das propriedades elétricas e magnéticas.
UNIVERSIDADE
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ENGENHARIA
MECATRÔNICA,
PRODUÇÃO
E
ENGENHARIA ELÉTRICA
AERONÁUTICA
Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos
 Temperatura
 Tempo
 Velocidade de resfriamento
 Atmosfera*
* no caso dos aços para evitar a oxidação e
descarbonetação
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Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos
Temperatura de austenitização
Geralmente
o
aquecimento é feito
acima da linha crítica
(A1 no diagrama de
fases Fe-Fe3C).
Ou linha crítica
A
austenita
é
geralmente o ponto
de partida para as
transformações
posteriores desejadas
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Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos
Temperatura Recomendada
Aços
Hipoeutetóides
Aços Hipoeutetóides 50 °C acima da linha A3
no diagrama de fases Fe-Fe3C.
Temperatura inferior à linha Acm e acima da
A1 do diagrama de fases Fe-Fe3C.
Aços
Eutetóides
Hipereutetóides
A linha Acm sobe muito em temperatura com o
teor de Carbono  Temperaturas muito altas
são prejudiciais por promoverem crescimento de
grão da austenita. Neste caso é menos
prejudicial ter a presença de certa quantidade
de carboneto não dissolvido.
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Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos
Temperatura de austenitização
Quanto mais alta a
temperatura acima da linha
crítica (A1 no diagrama de
fases Fe-Fe3C):
 maior
a
segurança
completa dissolução
fases na austenita
da
das
 maior será o tamanho de
grão da austenita
 oxidação (degradação)
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Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos
Tempo
Quanto maior
austenitização:
o
tempo
na
temperatura
 maior a segurança da completa dissolução
na austenita
das
de
fases
 maior será o tamanho de grão da austenita
Tempos
longos
descarbonetação
facilitam
a
oxidação
e
a
Aproximação:
Tempo em minutos ~
em milímetros
1,5 x espessura da amostra
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Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos
Resfriamento
O resfriamento é um dos métodos mais
importantes porque é ele que efetivamente
determinará a microestrutura, além da
composição do aço (teor de Carbono e
elementos de liga)
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Fatores de Influência nos Tratamentos Térmicos
Meios de Resfriamento
 Ambiente do forno (+ brando)
 Ar
 Banho de sais ou metal fundido (+ comum é
o de Pb)
 Óleo
 Água
 Soluções aquosas de NaOH, Na2CO3 ou
NaCl (+ severos)
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TÊMPERA
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Têmpera
Objetivo
Obter estrutura matensítica que promove:
- Aumento na dureza
- Aumento na resistência à tração
- Aumento da resistência ao desgaste
- Redução na tenacidade
*** A
têmpera gera tensões  deve-se fazer
revenido posteriormente
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Têmpera
Aplicação
 Materiais que necessitam de boas propriedades mecânicas
como desgaste, dureza e esforças de altas cargas;
 Muito aplicado na indústria automobilística (peças);
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Têmpera
Metodologia: Aquecimento de austenitização
 Aquecimento do material até uma temperatura acima da sua zona
crítica.
 Manutenção à temperaturas de tratamento para homogeneização.
Aços hipoeutetóides:
 A temperatura deve estar acima da linha de transformação
completa (austenitização plena) somente aços com % C acima
de 0,4.
Aços eutetóides e hipereutetóides:
 A temperatura deve estar acima de 7230C (+500C)
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Têmpera
Temperatura Recomendada
Aços
Hipoeutetóides
Aços Hipoeutetóides 50 °C acima da linha A3
no diagrama de fases Fe-Fe3C.
Temperatura inferior à linha Acm e acima da
A1 do diagrama de fases Fe-Fe3C.
Aços
Eutetóides
Hipereutetóides
A linha Acm sobe muito em temperatura com o
teor de Carbono  Temperaturas muito altas
são prejudiciais por promoverem crescimento de
grão da austenita. Neste caso é menos
prejudicial ter a presença de certa quantidade
de carboneto não dissolvido.
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Têmpera
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Têmpera
Metodologia: temperatura
Metodologia: Aquecimento
 Depende
muito
da
composição do aço (% de
carbono e elementos de liga) e
da espessura da peça
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Fatores de Influência na Têmpera
Tempo
Quanto maior
austenitização:
o
tempo
na
temperatura
 maior a segurança da completa dissolução
na austenita
das
de
fases
 maior será o tamanho de grão da austenita
Tempos
longos
descarbonetação
facilitam
a
oxidação
e
a
Aproximação:
Tempo em minutos ~
em milímetros
1,5 x espessura da amostra
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Têmpera
Metodologia: Resfriamento
 Resfriamento brusco
 Fator mais importante que influenciará nas propriedades
finais do material do material até uma temperatura acima da
sua zona crítica, de forma a obter-se estrutura martensita.
É realizado em meios tais como:






Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de Pb);
Óleo;
Água;
Soluções aquosas de NaOH, Na2CO3 ou NaCl (+ severos);
Salmoura
e etc....
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Têmpera
Metodologia: Resfriamento
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Bainita
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TRANSFORMAÇÃO BAINITICA
A bainita foi encontrada pela primeira vez por
Davenport e Edgar Bain durante seus estudos de
decomposição isotérmica da austenita. A bainita pode
ser formada durante tratamentos anisotérmicos com
altas taxas de resfriamento para impedir a formação de
perlita, sem no entanto formar martensita. As
características da bainita mudam com a redução da
temperatura de transformação. Podem ser identificadas
duas formas de bainita, a bainita superior e inferior
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TRANSFORMAÇÃO BAINITICA
Termo usado para designar os produtos de transformação da
austenita, constituídos por agregados de ferrita e cementita e
formados numa faixa de temperatura situada entre a de
formação da perlita fina e a de formação da martesita da faixa
de temperatura (bainita superior), ou acicular, lembrando a
martesita revenida, se forma na parte inferior da faixa (bainita
inferiror).
Ocorre a uma temperatura inferior a do joelho.
Forma de agulhas, contendo ferrita e cementita, que só podem
ser vista com microscópio eletrônico
Dureza: bainita superior 40-45 Rc e bainita acidular 50-60 Rc
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Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas das fases
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 BAINITA SUPERIOR
Para
temperaturas
entre
aproximadamente 300 e 540ºC, a
bainita se forma como série de de
ripas paralelas (isto é, tiras finas
e estritas) ou agulhas de ferrita
cada uma com espessura da ordem
de 0,2 micrômetro e comprimento
de 10 micrômetros, que se
encontram
separadas
por
particulas alongadas da fase
cementita.
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 BAINITA INFERIOR
A bainita inferior é o produto da
formação em temperaturas mais
baixas, entre aproximadamente
200 e 300ºC. Para a bainita
inferior, a fase ferrita existe na
forma
de
placas
finas,
e
partículas estreitas de cementita
(na forma de bastões ou lâminas
muito finas) se formam no
interior dessas placas de ferrita.
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Martensita
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MARTENSITA EM AÇOS
CARBONO
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MARTENSITA
A martensita é uma solução sólida supersaturada
de carbono em ferro tetragonal de corpo centrato
(tcc), uma forma distorcida do ferro cúbico de
corpo centrado (ccc).
A célula unitária tetragonal centrado
(tcc)
para
o
aço
martensítico
mostrando átomos de ferro (cinza) e os
sítios que podem ser ocupados por
átomos de carbono (preto). Para esta
célula unitária tetragonal c>a
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MARTENSITA
O carbono expande o ferro cfc uniformemente, mas
ferro ccc a expansão é maior no eixo c, dando origem
estrutura tetragonal. Isto se deve ao fato de que
octaédrico na estrutura cfc é regular e na estrutura
não regular.
com o
a uma
o vão
ccc é
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MARTENSITA
A fase martensita da liga Fe-C é obtida através de um resfriamento
rápido a partir da temperatura de austenitização, a tendência seria a
formação de ferrita + cementita (fases de equilíbrio).
Entretanto, o processo de saída do carbono de dentro da célula CFC
requer tempo (exige difusão), o qual não é propiciado por um resfriamento
rápido.
Então, ocorre a transformação para CCC e o carbono fica retido dentro
da célula, muito embora não haja espaço para acomodá-lo.
Assim, ocorre uma distorção da célula CCC, formando uma célula
tetragonal de corpo centrado.
A distorção causa tensões internas, que são percebidas através da alta
resistência mecânica e dureza da martensita, muito embora tenha grande
fragilidade.
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MICROESTRUTURA
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Têmpera
Martensita
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MARTENSITA - MICROESTRUTURA
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MARTENSITA - MICROESTRUTURA
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MARTENSITA - MICROESTRUTURA
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PRÁTICA
Laboratório
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Prática: Têmpera
Tratamento Térmico em aço carbono SAE 1045 - Têmpera
Procedimento experimental
•Realizar o resfriamento dos corpos de prova que se encontram
no interior do forno a uma temperatura de aproximadamente
8500C (temp. de têmpera do aço 1045) e a um tempo de
encharque no forno de 20 a 30 min:
•Resfriamento
Resfriado por água
Resfriado por água e sal (salmoura)
Resfriado por óleo mineral
da têmpera em um intervalo de tempo de
aproximadamente 3 segundos;
•Limpar e lixar a superfície das amostras a fim de remover a
camada de óxido formada para a medição da dureza.
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Prática: Têmpera
Caracterização mecânica dos corpos de provas tratados (dureza HRC).
• Determinar
tratado;
a dureza Rockwell C do aço SAE 1045 não
• Determinar
a dureza Rockwell C do aço SAE 1045 tratado
termicamente por têmpera nas três configurações de
resfriamento (água, salmoura e óleo);
• Fazer
uma comparação (comentário) dos perfis de dureza
com os 3 resfriamentos em função do padrão (SAE 1045) não
tratado;
•Fazer
um gráfico
resfriamento.
da
dureza
em
função
do
tipo
de
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Prática: Têmpera
Caracterização mecânica dos corpos de provas tratados (dureza HRC).
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Prática: Têmpera
Caracterização mecânica dos corpos de provas tratados (Tração).
• Através do ensaio de tração do corpo de prova (SAE 1045) temperado
sobre resfriamento em água:
• Utilizando os dados
das propriedades mecânicas do corpo de prova
(SAE 1045) não tratado (já realizado na pratica anterior), fazer
uma
comparação
(comentário) dos perfis de dureza com os 3
resfriamentos;
•Com os ensaios de tração realizados sobre o corpo de prova temperado
por água, identificar e comparar no gráfico:
•Analisar
Módulo de elasticidade
Tensão de escoamento
Tensão máxima de tração
Tensão de ruptura
Ductilidade
as propriedades mecânicas (mencionadas acima) da curva
tensão-deformação entre o corpo de prova temperado e o não tratado
(padrão).
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Prática: Têmpera
temperado
Não temperado
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Prática: Têmpera
Análise microestrutural do aço SAE 1045
Aço ABNT 1045 – Aspecto micrográfico de um aço hipoeutetóide.
Ampliação: 400 vezes
Aço ABNT 1045 – temperado a água
A Figura mostra a microestrutura visualizada no A Figura mostra o aspecto micrográfico do aço
microscópio. As áreas brancas são de ferrita e
hipoeutetóide temperado. As partes mais
as áreas escuras são de perlita, cuja estrutura
escuras são os veios da martensita em
lamelar não é evidenciada por se tratar de
forma de agulha.
ampliação relativamente pequena.
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Exercícios
1) Responda
a) A formação da martensita depende do tempo?
b) - Por que a martensita não aparece no diagrama de equilíbrio Fe-C?
c) - A martensita é mais facilmente obtida num aço hipo ou hipereutetóide?
d) Qual o microconstituinte mais duro dos aços?
e) Alto teor de carbono favorece ou dificulta a formação da martensita?
f) É possível obter um aço com estrutura martensítica por resfriamento lento?
2) Qual a finalidade e objetivo de realizar tratamentos térmicos em aços?
3) Quais são os fatores de influencia nos tratamentos térmicos? Qual é a função de cada fator?
4) O que é tempera e qual é o principal objetivo da tempera?
5) Porque se deve realizar o aquecimento do material até uma temperatura acima da sua zona crítica
numa tempera?
6) Como deve ser a temperatura recomendada nos aços hipoeutetoides, eutetoides e
hipereutetoides?
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Exercícios
7) Porque não se deve deixar exceder o tempo de permanência dentro do forno (encharque)?
8) Como deve ser o resfriamento em termos de velocidade e quais são os principais meios de
resfriamentos?
9) Qual foi o termo usado para descobrir a transformação da bainita? Quais são dos dois tipos de
bainita?
10) Qual é a definição da matersita e como ela é formada ?
11) Foram realizadas temperas em três meios de resfriamentos diferentes: água, óleo mineral e
salmoura (água e sal), qual desses três meios de resfriamentos vai formar mais martensita e
explique quimicamente a diferença da dissipação de calor entre esses três meios (ou da eficiência do
resfriamento do processo).
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Exercícios
12) Foram realizados dois ensaios de tração: CP1 aço 1045 sem tratamento térmico e CP2 aço 1045
temperado a água. Explique qual tratamento obteve melhor resistência mecânica e explique porque
?
temperado
Não temperado
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Exercícios
13) Através da analise microestrutural, mediante as duas figuras abaixo, identifique e compare
pelas figuras abaixo, as seguintes microestruturas, mostrando a amostra não tratada e tratada por
têmpera e correlacionando suas estruturas.