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Descobrindo o Tratamento térmico
Engenharia Fora da Caixa

Metalografia e Tratamento Térmico
A metalografia é o ramo da ciência que estuda os metais e suas propriedades. Todo estudo de materiais começa no estudo de suas estruturas. Os metais, assim como outros materiais da mecânica, possuem uma organização em forma de estruturas cristalinas. Essas estruturas são analisadas em pequenas partes, os grãos. Já os grãos são formados da união de átomos, organizados em células unitárias, as quais são padrões repetitivos encontrados no interior dos grãos. Os padrões das células unitárias são inúmeros, mas dentre os metais os que são mais recorrentes são as células cúbicas de corpo centrado (CCC), a célula cúbica de face centrada (CFC) e a hexagonal compacta (HC). Cada uma dessas células apresenta características distintas, como diferentes números de átomos, tamanho de células diferentes, ou seja, arestas dos cubos diferentes entre outras.
Estas células unitárias, não tem seu interior completamente preenchidos por átomos, este fato pode ser constatado pelo fator de empacotamento atômico (FEA) destas, o FEA da célula CCC é 0,68, enquanto o da célula CFC é 0,74. Logo a célula CCC tem um total de 68% do seu volume ocupado por átomos, enquanto a CFC tem 74%. As células unitárias ao se agruparem para formar os grãos apresentam direções diferentes, o que pode ocasionar defeitos pontuais, como a inserção ou ausência de um átomo em uma posição cristalográfica específica, ou até mesmo criar linhas e planos de discordância, onde uma camada inteira de átomos pode estar deslocada de sua posição original, esses defeitos dependem muito da energia livre presente no sistema. Quanto maior a energia livre, maior a propensão do sistema em apresentar defeitos.
Uma das maneiras de se alterar a energia livre do sistema é pelo seu aquecimento e resfriamento. Uma liga metálica ao ser aquecida pode sofrer diversas mudanças de fases antes de se fundir, como é o caso de aços com baixo teor de carbono, que passam da fase alfa ou fase ferritica, para fase austenítica ou fase gamma, para depois fase delta ou ferrita delta, para finalmente se fundirem completamente. Com o intuito de acompanhar essas mudanças de fases nos materiais, foram desenvolvidos os diagramas de fases. Nestes diagramas é possível prever o comportamento de uma determinada liga com a variação da temperatura do sistema. Por meio de análises gráficas, como a regra da alavanca, além de se prever as mudanças que ocorrerão nas fases, é possível também determinar em uma região de mistura as frações de cada fase e suas composições.
Um dos diagramas de fases mais utilizados no mundo é o sistema Ferro – Carbono (Fe-C), ou ferrita (Fe) e Cementita (Fe3C). O ferro é um dos minerais mais utilizados no mundo e é a base para diversas ligas metálicas entre outras funções. Logo no meio mecânico o conhecimento do sistema Fe-C é de suma importância. Existem neste diagrama quatro fases sólidas distintas, uma fase líquida e diversas regiões de mistura de fases. Essas fases e regiões apresentam características diferentes como propriedades, arranjo celular, composição, etc. No diagrama Fe-C, é possível identificar certos pontos de interesse e estudos, como o ponto eutetóide, onde durante o resfriamento da fase gamma essa se transforma em duas outras fases sólidas distintas, a fase alfa e a cementita e o ponto eutético, onde a fase líquida se resfria diretamente em outras duas fases sólidas distintas, a fase gamma e a cementita.
O diagrama de fases é uma ferramenta importantíssima para a análise de ligas metálicas, porém esta é uma ferramenta onde se supões que todas as transformações de fases ocorram à temperatura constante, deixando com que o processo de difusão dos átomos ocorre pelo tempo necessário para sua completa transformação de fase, o que não ocorre na maioria dos casos. Logo houve a necessidade de se criar um diagrama que incorporasse a sua análise o fator tempo, porém no diagrama binário, seus eixos já representavam a temperatura e a composição das ligas, logo incorporar um terceiro eixo a este diagrama binário seria uma tarefa complicada. Solucionou-se então o problema com a criação do diagrama transformação, temperatura e tempo, ou TTT. Este diagrama é utilizado para acompanhar a mudança de fase e suas estruturas resultantes com o decorrer do tempo de resfriamento da liga.
Os átomos de carbono que se encontram em um aço eutetóide, contém 0,76% de carbono em sua composição, se dissolvem completamente no sistema ao aquecer este até atingir a temperatura da fase austenita, fase gamma. Quando o resfriamento da liga ocorre a uma temperatura constante no ponto de mudança de fase, as fases finais, ferrita e cementita se rearranjam em grãos com uma característica única, estes grãos são um microconstituinte chamado de perlita. Quando o resfriamento da liga ocorre com uma velocidade mais acentuada, não há tempo suficiente para que os átomos se rearranjem em perlita, ocasionando uma alteração no formato do grão do metal. Outros dois microconstituintes do aço podem ser formados então, são eles a martensita e a bainita.
O processo de aquecimento e resfriamento controlado dos metais é conhecido como tratamento térmico. Todo tratamento térmico visa a alteração das propriedades do metal, para que este possa melhor se enquadrar nas necessidade do projeto. Existem diversos tipos e meios de tratar termicamente um metal, o tratamento pode ocorrer na peça por completo, tratamento pleno, ou pode ocorrer de forma superficial. Quando o tratamento ocorre de forma superficial e com difusão de átomos na superfície e criação de carbonetos, nitretos entre outros, o processo é chamado de tratamento termoquímico. Alguns dos tipos conhecidos de tratamentos térmicos são, a têmpera, o revenimento, a normalização, o recozimento, a austêmpera entre outros.
O recozimento tem como objetivo diminuir a dureza do metal, aliviar as tensões internas ocasionadas por processos de conformação a frio, melhorar a usinabilidade, entre outros. Este processo consiste aquecer o aço até a fase de austenita e depois resfria-lo lentamente. A normalização tem como objetivo homogeneizar a estrutura cristalina do metal e também refinar os grãos deste metal. O processo consistem em austenitizar o aço e logo em seguida deixa-lo resfriar ao ar.
Um dos processos mais conhecidos é a têmpera, cujo objetivo é alcançar a estrutura de martensita. Esta é a estrutura com a maior dureza que o aço consegue atingir. A temperabilidade de um aço é a propriedade que informa a profundidade com que se consegue formar a martensita em uma peça após passar por este processo. A dureza da martensita é tão elevada que torna o material frágil e seu uso restrito. Se realiza o processo de revenimento da peça logo após a têmpera. O revenimento consiste em aquecer o aço até uma temperatura abaixo da zona crítica, região onde se começa austenitizar o aço, e mate-lo por um tempo determinado a esta temperatura em seguida resfria-lo. Esse procedimento melhora as propriedades do aço temperado, criando a martensita revenida. Que conta com uma maior tenacidade, menor dureza, mas sem perda expressiva da resistência mecânica obtida na têmpera.
A austêmpera é o tratamento térmico que busca formar a bainita, estrutura que conta com uma elevada dureza e boa tenacidade. Este tratamento térmico consiste em austenitizar o aço, depois resfriado rapidamente a temperaturas da ordem de 400 ºC e manter esta temperatura até que se obtenha a bainita por completo.


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