Tempera: Processo de Resfriamento Rápido para Aumento da Resistência do Aço

Definição e Conceito Básico

A têmpera é um processo de tratamento térmico aplicado a metais ferrosos, particularmente ao aço, para aumentar a dureza e a resistência resfriando rapidamente (têmpera) o material de sua temperatura de austenitização até a temperatura ambiente. Este processo térmico controlado transforma a microestrutura do aço, resultando na formação de martensita, uma estrutura metastável dura.

O processo representa um dos mecanismos fundamentais de endurecimento na metalurgia ferrosa, permitindo que engenheiros alterem dramaticamente as propriedades mecânicas sem mudar a composição química. A têmpera serve como a base para muitos processos avançados de tratamento térmico na fabricação moderna de aço.

Dentro do campo mais amplo da metalurgia, a têmpera ocupa uma posição central na família de transformações de fase sem difusão. Ela conecta os aspectos teóricos da cinética de transformação de fase com aplicações industriais práticas, tornando-se um conhecimento essencial para metalurgistas, engenheiros de materiais e especialistas em manufatura.

Natureza Física e Fundamento Teórico

Mecanismo Físico

No nível microestrutural, a têmpera envolve a transformação de austenita cúbica de face centrada (FCC) em martensita tetragonal de corpo centrado (BCT). Isso ocorre quando os átomos de carbono ficam presos na rede de ferro durante o resfriamento rápido, impedindo sua difusão e causando distorção da rede.

A transformação é sem difusão, o que significa que os átomos de carbono não têm tempo para migrar durante o resfriamento. Em vez disso, eles permanecem em posições intersticiais, criando uma tensão interna significativa na estrutura cristalina. Essa tensão se manifesta como deslocações que impedem o movimento adicional de deslocações, resultando na dureza característica da martensita.

A transformação martensítica ocorre de forma a térmica—depende da temperatura em vez do tempo. Uma vez abaixo da temperatura de início da martensita (Ms), a transformação começa e continua à medida que a temperatura diminui até atingir a temperatura de término da martensita (Mf).

Modelos Teóricos

A equação de Koistinen-Marburger representa o principal modelo teórico que descreve a transformação martensítica durante a têmpera:

$V_m = 1 - \exp$$-\alpha(M_s - T)$$$

Onde $V_m$ é a fração de volume de martensita, $M_s$ é a temperatura de início da martensita, $T$ é a temperatura atual, e $\alpha$ é uma constante específica do material.

Historicamente, a compreensão da têmpera evoluiu de observações empíricas por ferreiros para explicações científicas no início do século 20. O trabalho pioneiro de Edgar Bain na década de 1920 estabeleceu a base cristalográfica para a transformação martensítica, enquanto pesquisadores posteriores como Koistinen e Marburger desenvolveram modelos quantitativos.

Abordagens teóricas alternativas incluem a teoria fenomenológica da cristalografia da martensita (PTMC) e modelos de campo de fase mais recentes que incorporam considerações de energia de deformação elástica.

Base da Ciência dos Materiais

A eficácia da têmpera está diretamente relacionada à transformação da estrutura cristalina de austenita FCC para martensita BCT. Essa transformação cria interfaces de alta energia e distorção significativa da rede que fortalecem o material.

Os limites de grão desempenham um papel crucial na têmpera, pois influenciam a estabilidade da austenita e os locais de nucleação da martensita. Tamanhos de grão de austenita mais finos geralmente diminuem a temperatura Ms e produzem martensita mais fina, aumentando a dureza enquanto minimizam os riscos de distorção e trincas.

O processo exemplifica o princípio fundamental da ciência dos materiais de que a microestrutura controla as propriedades. Ao manipular as taxas de resfriamento, os metalurgistas podem controlar a microestrutura resultante e, assim, adaptar as propriedades mecânicas para aplicações específicas.

Expressão Matemática e Métodos de Cálculo

Fórmula de Definição Básica

O teste de têmpera Jominy fornece um método padronizado para quantificar a endurecibilidade, expresso como:

$H_d = f(D, t, \lambda)$

Onde $H_d$ é a dureza a uma distância d do extremo resfriado, $D$ é o coeficiente de difusão do carbono na austenita, $t$ é o tempo de resfriamento, e $\lambda$ representa fatores de composição da liga.

Fórmulas de Cálculo Relacionadas

A taxa de resfriamento crítica (CCR) necessária para alcançar a transformação martensítica completa pode ser estimada usando:

$CCR = \frac{T_A - M_s}{t_c}$

Onde $T_A$ é a temperatura de austenitização, $M_s$ é a temperatura de início da martensita, e $t_c$ é o tempo crítico para evitar a formação de perlita ou bainita.

O fator de severidade de têmpera de Grossmann ($H$) quantifica a eficácia do meio de têmpera:

$H = \frac{h}{2k}$

Onde $h$ é o coeficiente de transferência de calor na interface metal-meio de têmpera e $k$ é a condutividade térmica do aço.

Condições Aplicáveis e Limitações

Essas fórmulas se aplicam principalmente a aços hipoeutetóides e eutetóides com teores de carbono entre 0,3% e 0,8%. Para aços hipereutetóides, ajustes são necessários para levar em conta a austenita retida.

Os modelos assumem composição uniforme da austenita antes da têmpera e negligenciam os efeitos de segregação ou estratificação. Eles também presumem que a taxa de resfriamento excede a taxa de resfriamento crítica em toda a peça.

Gradientes de temperatura em seções maiores podem invalidar esses modelos simplificados, exigindo análise de elementos finitos para previsões precisas em geometrias complexas.

Métodos de Medição e Caracterização

Especificações de Teste Padrão

• ASTM A255: Métodos de Teste Padrão para Determinar a Endurecibilidade do Aço
• ISO 642: Aço — Teste de Endurecibilidade por Têmpera em Extremidade (teste Jominy)
• SAE J406: Métodos de Determinação da Endurecibilidade dos Aços
• ASTM E18: Métodos de Teste Padrão para Dureza Rockwell de Materiais Metálicos

ASTM A255 e ISO 642 detalham procedimentos para o teste de têmpera em extremidade Jominy, enquanto SAE J406 fornece métodos de determinação de endurecibilidade específicos da indústria. ASTM E18 cobre procedimentos de teste de dureza aplicáveis a espécimes endurecidos por têmpera.

Equipamentos e Princípios de Teste

Testadores de dureza (Rockwell, Vickers ou Brinell) servem como ferramentas de medição primárias, quantificando a resistência do material à indentação. Esses instrumentos aplicam cargas padronizadas através de indentadores calibrados e medem as dimensões da impressão resultante.

Microscópios metalográficos permitem a exame microestrutural para verificar a transformação martensítica. Quando acoplados a técnicas de ataque como nital (2-5% de ácido nítrico em etanol), revelam estruturas de martensita características em forma de agulha ou lâmina.

A caracterização avançada pode empregar difração de raios X (XRD) para quantificar a austenita retida ou microscopia eletrônica de varredura (SEM) para examinar a morfologia da martensita fina.

Requisitos de Amostra

Os espécimes padrão do teste Jominy medem 25,4 mm (1 polegada) de diâmetro e 100 mm (4 polegadas) de comprimento com um acabamento de superfície usinado de 0,8 μm Ra ou melhor. Os espécimes para teste de dureza Rockwell requerem superfícies planas e paralelas livres de escala ou descarbonização.

A preparação da superfície geralmente envolve moagem para remover camadas descarbonizadas, seguida de polimento para alcançar o acabamento de superfície requerido. Para exame metalográfico, os espécimes devem ser polidos até um acabamento espelhado e adequadamente atacados.

Os espécimes devem estar livres de trabalho a frio anterior que possa afetar as características de transformação e devem representar a composição