O tratamento térmico é um processo que altera a estrutura interna de materiais metálicos através de aquecimento, manutenção e resfriamento para obter as propriedades desejadas. Durante este processo, devido a mudanças de temperatura desiguais, transformações estruturais e restrições dentro do material, tensão de tratamento térmico é gerada, o que impacta significativamente o desempenho do material, a estabilidade dimensional e o processamento subsequente.
A tensão de tratamento térmico refere-se à tensão interna gerada por expansão/contração térmica desigual, mudanças de volume descoordenadas durante transformações estruturais e restrições externas (por exemplo, moldes, dispositivos) ou restrições internas (por exemplo, diferenças de propriedade em diferentes regiões) dentro do material.
A sua essência é a força mútua entre átomos ou grãos quando o arranjo atômico ou as mudanças de volume macroscópicas são impedidos, manifestando-se como uma tendência à deformação elástica ou plástica.
A geração de tensão de tratamento térmico está principalmente relacionada a dois processos principais:
Quando os materiais são aquecidos ou resfriados, mudanças de temperatura desiguais em diferentes partes da peça (por exemplo, superfície vs. núcleo, paredes finas vs. espessas) levam a diferentes graus de expansão ou contração de volume:
- Fase de aquecimento: A superfície aquece e se expande primeiro, enquanto o núcleo permanece mais frio com expansão mais lenta. A superfície é restringida pelo núcleo, gerando tensão de compressão, e o núcleo é esticado pela superfície, gerando tensão de tração.
- Fase de resfriamento: A superfície esfria e contrai primeiro, enquanto o núcleo permanece mais quente com contração mais lenta. A superfície é restringida pelo núcleo, gerando tensão de tração, e o núcleo é comprimido pela superfície, gerando tensão de compressão.
Taxas de resfriamento mais rápidas (por exemplo, têmpera) criam gradientes de temperatura maiores, intensificando a tensão térmica.
Durante transformações de fase no estado sólido (por exemplo, austenita para martensita ou perlita), diferentes estruturas têm volumes específicos variáveis (por exemplo, a martensita tem um volume específico maior do que a austenita). Mudanças de fase assíncronas em toda a peça geram tensão estrutural:
- Por exemplo, durante a têmpera, a superfície primeiro passa por transformação austenita→martensita (expansão de volume), enquanto o núcleo permanece austenítico. A expansão da superfície é restringida pelo núcleo, gerando tensão de compressão. Quando o núcleo se expande mais tarde durante a transformação de fase, a superfície—já transformada e possivelmente endurecida—restringe o núcleo, levando a tensão de tração no núcleo e tensão de tração adicional na superfície.
Diferenças maiores na taxa e extensão de transformação (por exemplo, formação concentrada de martensita na superfície durante a têmpera) aumentam a tensão estrutural.
- Restrições externas: Fixação por grampos ou contato com moldes restringe a expansão/contração livre, exacerbando a tensão.
- Restrições internas: Estruturas complexas de peças (por exemplo, ranhuras, cantos afiados) ou composição desigual do material causam diferenças de propriedade entre as regiões, amplificando a concentração de tensão.
Com base no estágio de geração e estado de existência, a tensão de tratamento térmico é categorizada em três tipos:
Tensão dinamicamente presente durante o aquecimento, manutenção ou resfriamento, mudando com a temperatura ou transformação de fase. Exemplos incluem:
- Tensão térmica de gradientes de temperatura durante o aquecimento;
- Tensão estrutural instantânea de mudanças de volume durante as transformações de fase de resfriamento.
Se a tensão transitória exceder o limite de escoamento do material naquela temperatura, ocorre deformação plástica; exceder a resistência à fratura leva à rachadura imediata (por exemplo, rachaduras de têmpera).
Tensão permanecendo na peça após o resfriamento à temperatura ambiente, a tensão residual após a liberação parcial (por exemplo, deformação plástica) da tensão transitória. Sua distribuição depende dos processos de tratamento térmico:
- Peças temperadas tipicamente têm tensão de compressão residual na superfície (devido à expansão da martensita restringida pelo núcleo) e possível tensão de tração residual no núcleo;
- Recozimento ou revenimento reduz a tensão residual, mas processos inadequados podem causar novo acúmulo de tensão.
- Tensão térmica: Tensão de expansão/contração térmica desigual sozinha, não relacionada à transformação estrutural (por exemplo, em metais puros ou ligas não transformadoras).
- Tensão estrutural: Tensão de mudanças de volume durante transformações de fase sozinha, não relacionada a gradientes de temperatura (por exemplo, tensão de transformação de fase sob temperatura uniforme ideal).
Na prática, a tensão térmica e estrutural geralmente coexistem, formando coletivamente a tensão de tratamento térmico.
A tensão de tratamento térmico (especialmente a tensão residual) tem múltiplos impactos no desempenho, processamento e aplicação do material, com efeitos adversos e benéficos quando regulada.
- A tensão residual que excede o limite de escoamento do material causa deformação plástica (por exemplo, flexão, empenamento, desvios dimensionais);
- Tensão residual excessiva (especialmente tensão de tração superficial) pode levar diretamente a rachaduras (por exemplo, "rachaduras retardadas" se o revenimento for atrasado após a têmpera).
Exemplo: O aço de alto carbono pode rachar ao longo dos limites de grão se não for revenido após a têmpera devido à tensão de tração superficial.
- A tensão residual libera-se gradualmente durante o processamento ou uso subsequente (por exemplo, corte, soldagem, mudanças de temperatura), causando deformação secundária e afetando peças de precisão (por exemplo, rolamentos, moldes).
Exemplo: A tensão residual não aliviada em engrenagens de precisão pode causar desvios no perfil dos dentes após o uso a longo prazo devido à liberação da tensão.
- A tensão de tração residual reduz a resistência à fadiga (rachaduras iniciam-se facilmente em pontos de concentração de tensão sob carga cíclica);
- Tensão interna excessiva pode aumentar a fragilidade e reduzir a tenacidade ao impacto.
- Distribuição desigual da tensão residual causa deformação inconsistente durante o corte (por exemplo, empenamento de peças de paredes finas após a usinagem);
- Regiões de concentração de tensão podem desenvolver rachaduras de retificação durante a retificação ou polimento.
Nem toda tensão residual é adversa; processos adequados podem utilizá-la para melhorar o desempenho:
- A tensão de compressão residual superficial aumenta a resistência à fadiga (por exemplo, engrenagens cementadas e temperadas com tensão de compressão superficial têm vida útil mais longa);
- Pré-tensão (por exemplo, manter a tensão de compressão apropriada em molas após têmpera e revenimento) melhora a resistência à deformação.
Para mitigar os efeitos adversos, a geração de tensão deve ser controlada através da otimização do processo, e a tensão residual eliminada através de tratamentos subsequentes:
- Controlar as taxas de aquecimento/resfriamento: Use aquecimento em etapas (aumento lento da temperatura) ou resfriamento graduado (por exemplo, têmpera isotérmica) para reduzir os gradientes de temperatura;
- Otimizar a estrutura da peça: Evite cantos afiados ou espessura de parede desigual para minimizar a concentração de tensão;
- Selecione a mídia apropriada: Use resfriamento a óleo (mais lento que a água) durante a têmpera para reduzir a tensão térmica;
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