Tratamento Térmico: Alívio de Tensão e Trabalhabilidade na Fabricação de Aço
Compartilhar
Table Of Content
Table Of Content
Definição e Conceito Básico
A recozimento de processo é um procedimento de tratamento térmico aplicado ao aço trabalhado a frio para reduzir a dureza, aumentar a ductilidade e aliviar tensões internas sem alterar significativamente a microestrutura ou as propriedades mecânicas. Ao contrário do recozimento completo, o recozimento de processo é realizado a temperaturas abaixo da temperatura crítica de transformação (A1), tipicamente entre 550-650°C para aços carbono.
Esse tratamento térmico intermediário permite operações adicionais de trabalho a frio, restaurando a usabilidade do material sem recristalização completa. O recozimento de processo é particularmente importante em operações de conformação em múltiplas etapas, onde o material deve passar por várias etapas de deformação sem rachaduras ou falhas.
Dentro do campo mais amplo da metalurgia, o recozimento de processo ocupa uma posição entre o recozimento de alívio de tensões (realizado a temperaturas mais baixas) e o recozimento completo (realizado acima da temperatura crítica). Ele representa um compromisso prático entre a eficiência de fabricação e os requisitos de propriedades do material, permitindo a modificação controlada das propriedades mecânicas enquanto minimiza o consumo de energia e o tempo de processo.
Natureza Física e Fundamento Teórico
Mecanismo Físico
No nível microestrutural, o recozimento de processo envolve principalmente a recuperação e a recristalização parcial da estrutura de grãos deformados. Durante o trabalho a frio, as discordâncias se acumulam dentro da rede cristalina, causando endurecimento por deformação e redução da ductilidade.
Quando aquecido a temperaturas de recozimento de processo, a energia térmica permite o movimento e rearranjo das discordâncias. Discordâncias de sinais opostos podem se aniquilar, enquanto outras formam limites de subgrão através da poligonização. Isso reduz a densidade geral de discordâncias sem eliminar completamente a estrutura deformada.
Em materiais severamente trabalhados a frio, uma recristalização limitada pode ocorrer a temperaturas mais altas de recozimento de processo, onde novos grãos livres de tensão se nucleiam e crescem, consumindo a estrutura deformada. No entanto, isso é tipicamente minimizado para manter algum efeito de endurecimento por trabalho.
Modelos Teóricos
O principal modelo teórico que descreve o recozimento de processo é o modelo de sequência de recuperação-recristalização-crescimento de grão. Este modelo, desenvolvido ao longo do século XX, descreve a restauração progressiva de microestruturas trabalhadas a frio através de processos termicamente ativados.
Historicamente, a compreensão dos processos de recozimento evoluiu de observações empíricas no século XIX para modelos quantitativos nas décadas de 1940-1960. Pesquisadores como Mehl, Burke e Turnbull estabeleceram relações fundamentais entre parâmetros de recozimento e evolução microestrutural.
Abordagens modernas incluem modelos cinéticos de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) para recristalização, modelos de variáveis de estado interno que consideram a evolução da densidade de discordâncias e abordagens computacionais usando autômatos celulares ou métodos de campo de fase. Esses modelos diferem em seu tratamento da heterogeneidade espacial e sua aplicabilidade a ligas industriais complexas.
Base da Ciência dos Materiais
O recozimento de processo afeta diretamente a estrutura cristalina ao reduzir a distorção da rede causada pelo trabalho a frio. Embora a estrutura cristalina primária (tipicamente cúbica de corpo centrado para aços ferríticos) permaneça inalterada, a densidade e o arranjo de defeitos cristalográficos são significativamente alterados.
Os limites de grão desempenham um papel crucial durante o recozimento de processo. Limites de grão de alto ângulo permanecem relativamente estáveis a temperaturas de recozimento de processo, enquanto limites de subgrão podem se formar ou ser eliminados. A estabilidade desses limites influencia as propriedades mecânicas finais.
O processo segue princípios fundamentais da ciência dos materiais de termodinâmica e cinética. O estado trabalhado a frio representa uma configuração de energia mais alta, e o recozimento leva o sistema em direção ao equilíbrio através de processos de difusão termicamente ativados. A taxa de recuperação depende das energias de ativação para o movimento de discordâncias e difusão de átomos, seguindo a dependência de temperatura do tipo Arrhenius.
Expressão Matemática e Métodos de Cálculo
Fórmula de Definição Básica
A cinética de recuperação durante o recozimento de processo pode ser expressa usando uma equação de decaimento logarítmico:
$$\sigma = \sigma_0 - k \ln(t)$$
Onde:
- $\sigma$ é a tensão de escoamento após o recozimento por tempo $t$
- $\sigma_0$ é a tensão de escoamento inicial do material trabalhado a frio
- $k$ é uma constante dependente da temperatura
- $t$ é o tempo de recozimento
Fórmulas de Cálculo Relacionadas
Para recristalização parcial, a equação de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) se aplica:
$$X = 1 - \exp(-kt^n)$$
Onde:
- $X$ é a fração de volume recristalizado
- $k$ é uma constante de taxa dependente da temperatura seguindo a equação de Arrhenius $k = k_0\exp(-Q/RT)$
- $t$ é o tempo de recozimento
- $n$ é o expoente de Avrami (tipicamente 1-4)
- $Q$ é a energia de ativação
- $R$ é a constante dos gases
- $T$ é a temperatura absoluta
A razão de amolecimento pode ser calculada como:
$$S = \frac{H_i - H_a}{H_i - H_0}$$
Onde:
- $S$ é a razão de amolecimento
- $H_i$ é a dureza após o trabalho a frio
- $H_a$ é a dureza após o recozimento
- $H_0$ é a dureza inicial antes do trabalho a frio
Condições e Limitações Aplicáveis
Essas fórmulas são válidas principalmente para materiais de fase única com deformação relativamente uniforme. Para aços multi-fase ou materiais com gradientes de deformação severos, modelos mais complexos são necessários.
A equação JMAK assume nucleação aleatória e crescimento isotrópico, o que pode não representar com precisão materiais fortemente texturizados ou aqueles com locais de nucleação preferenciais. Desvios ocorrem particularmente em frações recristalizadas altas.
Esses modelos assumem condições isotérmicas e não consideram taxas de aquecimento e resfriamento. Na prática industrial, essas condições transitórias podem afetar significativamente a microestrutura e as propriedades finais.
Métodos de Medição e Caracterização
Especificações de Teste Padrão
- ASTM E18: Métodos de Teste Padrão para Dureza Rockwell de Materiais Metálicos
- ASTM E8/E8M: Métodos de Teste Padrão para Teste de Tensão de Materiais Metálicos
- ASTM E112: Métodos de Teste Padrão para Determinação do Tamanho Médio do Grão
- ISO 6507: Materiais metálicos — Teste de dureza Vickers
- ISO 6892-1: Materiais metálicos — Teste de tração — Parte 1: Método de teste à temperatura ambiente
Equipamentos e Princípios de Teste
Testadores de dureza (Rockwell, Vickers ou Brinell) são comumente usados para quantificar o efeito de amolecimento do recozimento de processo. Esses instrumentos medem a resistência do material à indentação usando indentadores e cargas padronizadas.
Máquinas de teste de tração medem propriedades mecânicas como resistência ao escoamento, resistência à tração e alongamento. O princípio envolve aplicar tensão uniaxial a um espécime padronizado até a falha, enquanto registra a relação força-deslocamento.
A caracterização avançada emprega microscopia óptica e eletrônica para observar mudanças microestruturais. A difração de retroespalhamento eletrônico (EBSD) pode quantificar a densidade de discordâncias, formação de subgrãos e fração de recristalização através da análise de dados