A têmpera é um processo de tratamento térmico no qual uma peça temperada é reaquecida a uma temperatura apropriada abaixo da temperatura crítica Ac₁, mantida nessa temperatura por um certo período e, em seguida, resfriada a uma taxa específica para aumentar a tenacidade do material. É um processo crítico que determina a microestrutura e as propriedades do aço em seu estado de serviço.
Embora o aço temperado (por exemplo, aço com estrutura martensítica) exiba dureza e resistência ao desgaste extremamente altas, ele tem dois problemas principais: primeiro, uma grande quantidade de tensão interna residual de têmpera permanece dentro, o que facilmente faz com que a peça de aço rache ou deforme; segundo, ele tem tenacidade extremamente baixa e alta fragilidade, tornando-o incapaz de suportar impacto ou cargas complexas. Ao ajustar a temperatura de aquecimento e o tempo de manutenção, a têmpera aborda especificamente esses problemas, com os seguintes objetivos específicos:
- Eliminar a tensão interna: O aquecimento fornece aos átomos de aço um certo grau de mobilidade, aliviando a tensão interna gerada pela rápida transformação microestrutural durante a têmpera (por exemplo, resfriamento rápido de austenita para martensita) e reduzindo o risco de rachaduras durante o processamento ou serviço subsequente da peça de aço.
- Ajustar as propriedades mecânicas: "Personalizar" as propriedades do aço de acordo com os requisitos. Para aplicações que exigem alta dureza (por exemplo, ferramentas de corte, matrizes), a têmpera em baixa temperatura pode ser selecionada para reter a maior parte da dureza temperada; para aplicações que exigem alta tenacidade (por exemplo, eixos, engrenagens), a têmpera em alta temperatura pode ser usada para melhorar significativamente a tenacidade, reduzindo um pouco a dureza.
- Estabilizar a microestrutura e as dimensões: Transformar a microestrutura temperada instável (por exemplo, martensita, austenita retida) em uma mais estável (por exemplo, martensita revenida, sorbita), evitando flutuações dimensionais causadas por mudanças microestruturais contínuas durante o serviço de longo prazo e garantindo a precisão.
- Melhorar a usinabilidade: Reduzir a dureza do aço temperado para facilitar o processamento mecânico subsequente, como corte e retificação (por exemplo, o aço ferramenta se torna mais fácil de retificar após a têmpera).
- Peças de aço não podem ser usadas diretamente após a têmpera e devem ser temperadas imediatamente.
- Ajustar a dureza, resistência, plasticidade e tenacidade da peça de trabalho para atender aos requisitos de desempenho em serviço. O aço temperado geralmente tem alta dureza e fragilidade, e a têmpera pode ajustar sua dureza e tenacidade.
- Eliminar ou reduzir a tensão interna residual gerada durante a têmpera para evitar deformação ou rachaduras.
- Estabilizar a microestrutura e as dimensões para garantir a precisão. A microestrutura do aço temperado consiste em martensita temperada e austenita retida, ambas metaestáveis e tendem a se transformar em estruturas estáveis (ou seja, transformar-se espontaneamente em ferrita e cimentita). Essa transformação pode causar alterações no tamanho e na forma da peça de trabalho. A têmpera converte a martensita temperada e a austenita retida em microestruturas mais estáveis, garantindo que não haja alterações no tamanho ou na forma durante o serviço.
O processo de têmpera envolve quatro tipos de reações: decomposição da martensita; precipitação, transformação, agregação e crescimento de carbonetos; recuperação e recristalização da ferrita; e decomposição da austenita retida.
Quando o aço temperado é aquecido abaixo de 200°C, finos ε-carbonetos (FeₓC) começam a precipitar da martensita, reduzindo a supersaturação da martensita e eliminando parcialmente a tensão interna. A microestrutura composta por esses ε-carbonetos ultrafinos e solução sólida α-de baixa saturação é chamada de martensita revenida (Mₜₑₘₚ).
Após a martensita temperada se transformar em martensita revenida, seu volume diminui, reduzindo a pressão sobre a austenita retida. Neste ponto, a austenita retida se decompõe para formar uma estrutura bainítica.
Essa transformação é relativamente óbvia em aços de médio e alto carbono. Para aços carbono e aços de baixa liga com um teor de carbono inferior a 0,4%, a quantidade de austenita retida é tão pequena que essa transformação é essencialmente insignificante. Portanto, a microestrutura temperada permanece martensita revenida a 200–300°C.
Quando a temperatura excede 250°C, a decomposição da martensita é completa e sua tetragonalidade desaparece. Os ε-carbonetos se transformam em cimentita fina e estável (Fe₃C), e a maior parte da tensão interna de têmpera é eliminada. A têmpera entre 300–500°C produz uma microestrutura mista consistindo em uma matriz de ferrita e um grande número de cimentita granular finamente dispersa, conhecida como troostita revenida (Tₜₑₘₚ).
Quando a temperatura de têmpera atinge acima de 400°C, a ferrita lamelar sofre poligonização, enquanto o Fe₃C granular fino se esferoidiza e se agrega para crescer. A tensão interna de têmpera é completamente eliminada. A têmpera entre 500–650°C resulta em uma microestrutura composta por uma matriz de ferrita poligonal com cimentita granular relativamente grande distribuída por toda parte, chamada de sorbita revenida (Sₜₑₘₚ).
A têmpera é classificada em têmpera em baixa temperatura, têmpera em média temperatura e têmpera em alta temperatura com base na faixa de temperatura.
- Temperatura de têmpera: 150–250°C
- Microestrutura: Martensita revenida (Mₜₑₘₚ) — uma mistura de ε-carbonetos ultrafinos e solução sólida α-de baixa saturação. Sob um microscópio óptico, a martensita revenida aparece preta, enquanto a austenita retida aparece branca.
- Propósito: Manter a alta dureza (normalmente 58–64 HRC) e a resistência ao desgaste da peça temperada, reduzindo a tensão residual de têmpera e a fragilidade.
- Aplicações: Usado principalmente para tratamento térmico de ferramentas de aço de alto carbono, ferramentas de corte, ferramentas de medição, matrizes, rolamentos de rolos, peças cementadas e peças temperadas superficialmente.
- Temperatura de têmpera: 350–500°C
- Microestrutura: Troostita revenida (Tₜₑₘₚ) — uma microestrutura de cimentita granular fina distribuída em uma matriz de ferrita que retém a morfologia martensítica.
- Propósito: Obter alto limite elástico, resistência ao escoamento e um certo grau de tenacidade; a maior parte da tensão interna é eliminada, com uma dureza de 35–45 HRC.
- Aplicações: Usado principalmente para tratamento térmico de molas, molas de relógio, matrizes de forjamento e ferramentas de impacto.
- Temperatura de têmpera: 500–650°C
- Microestrutura: Sorbita revenida (Sₜₑₘₚ) — uma microestrutura de Fe₃C granular distribuída em uma matriz de ferrita poligonal.
- Propósito: Obter excelentes propriedades mecânicas abrangentes (resistência, plasticidade e tenacidade equilibradas); a tensão interna é completamente eliminada, com uma dureza de 25–35 HRC. Como a sorbita revenida tem boas propriedades mecânicas abrangentes, a combinação de "têmpera + têmpera em alta temperatura" é comumente referida como têmpera e revenido (QT), ou simplesmente "têmpera" em um sentido amplo.
- Aplicações: A têmpera e o revenido são usados principalmente como o tratamento térmico final para várias peças estruturais importantes (por exemplo, bielas, eixos e engrenagens sujeitas a cargas alternadas e altos requisitos de resistência à fadiga). Também é frequentemente usado como o tratamento de pré-aquecimento para peças temperadas superficialmente, peças nitretadas, ferramentas de corte de precisão, ferramentas de medição e matrizes.
Deve-se notar que as faixas de temperatura acima para os processos de têmpera se aplicam a aços carbono e aços de baixa liga e não são aplicáveis a aços de média e alta liga com alto teor de elementos de liga.
A tenacidade ao impacto do aço temperado muda com a temperatura de têmpera. À medida que a temperatura de têmpera aumenta, a dureza do aço tende a diminuir, enquanto a tenacidade geralmente aumenta. No entanto, dois valores mínimos aparecem nas faixas de temperatura de 250–400°C e 450–650°C. Esse fenômeno é chamado de fragilização por têmpera e é dividido em fragilização por têmpera em baixa temperatura e fragilização por têmpera em alta temperatura.
Isso se refere à fragilidade exibida pelo aço temperado quando temperado a 250–400°C. Como a fragilização, uma vez formada, não pode ser eliminada por reaquecimento, ela também é chamada de fragilização por têmpera irreversível. A principal causa é que, durante a têmpera nessa faixa de temperatura, a martensita se decompõe e a cimentita precipita nos contornos dos grãos, reduzindo a resistência à fratura dos contornos dos grãos e destruindo a continuidade da matriz. Quase todos os aços exibem esse tipo de fragilização por têmpera, e atualmente não existe um método eficaz para eliminá-la completamente. Portanto, o aço temperado geralmente não é temperado na faixa de 250–350°C.
Isso se refere à fragilidade exibida pelo aço temperado quando resfriado lentamente após a têmpera na faixa de 450–650°C. A tenacidade pode ser restaurada se o aço for reaquecido acima de 600°C e resfriado rapidamente, por isso também é chamado de fragilização por têmpera reversível.
Esse tipo de fragilização ocorre principalmente em aços estruturais contendo elementos de liga como Cr, Ni, Si e Mn. Uma característica fundamental é que o resfriamento rápido (resfriamento a óleo) após a têmpera não causa fragilidade, enquanto o resfriamento lento (resfriamento ao ar) causa. Quando esses aços devem ser temperados em altas temperaturas, eles geralmente são aquecidos acima de 600°C e resfriados rapidamente. Obviamente, o resfriamento rápido a partir dessa temperatura não causa endurecimento, pois a austenitização não ocorre.
Em geral, para obter boas propriedades mecânicas abrangentes, os aços estruturais de liga são frequentemente temperados em três faixas de temperatura diferentes: aços de ultra-alta resistência a aproximadamente 200–300°C; aços para molas em torno de 460°C; e aços temperados e revenidos a 550–650°C. Os aços ferramenta carbono e liga, que exigem alta dureza e resistência, são geralmente temperados em temperaturas não superiores a 200°C. Os aços estruturais de liga, aços para matrizes e aços de alta velocidade são todos temperados na faixa de 500–650°C.
- A têmpera é desnecessária para aço temperado não tratado; portanto, é usado como um processo final de tratamento térmico em conjunto com a têmpera.
- Para evitar a deformação ou rachaduras das peças temperadas durante o armazenamento, as peças de aço devem ser temperadas imediatamente após a têmpera.
- A têmpera insuficiente pode ser compensada por um processo de têmpera adicional apropriado; no entanto, se ocorrer sobre-têmpera, todos os esforços anteriores serão desperdiçados e a peça deverá ser temperada novamente.
- A têmpera não é um método de endurecimento; pelo contrário, envolve o reaquecimento do aço endurecido tratado termicamente para aliviar o estresse, amolecer o material e melhorar a plasticidade.
- As mudanças microestruturais e as modificações de propriedades causadas pela têmpera dependem da temperatura à qual o aço é reaquecido. Quanto maior a temperatura, mais significativos são os efeitos. Portanto, a escolha da temperatura geralmente depende da extensão em que a dureza e a resistência são sacrificadas para obter plasticidade e tenacidade.
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