Fundamentos do Tratamento Térmico de Aço

O que significa o tratamento térmico no aço

O tratamento térmico é uma sequência planejada de operações de aquecimento, manutenção e resfriamento aplicada ao aço para que sua estrutura interna e suas propriedades resultantes sejam alteradas de maneira controlada. A temperatura do forno é apenas uma parte dessa sequência. O tratamento completo inclui a condição inicial do material, a taxa na qual ele atinge a temperatura, o tempo de permanência nessa temperatura, a atmosfera circundante, a maneira como o calor se desloca pela seção e o percurso pelo qual o aço é resfriado.

Essa distinção separa o tratamento térmico metalúrgico do simples aquecimento do aço e de seu resfriamento posterior. Um tratamento pode ser projetado para alterar a constituição das fases, a morfologia das fases, a estrutura de defeitos, a dureza, a resistência, a tenacidade, a ductilidade, a usinabilidade, a estabilidade dimensional ou as propriedades superficiais. Ele também pode aliviar tensões residuais, refinar os grãos, preparar o aço para usinagem ou produzir uma superfície dura e resistente ao desgaste sobre um núcleo mais tenaz.[1][1] Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes. ASM International. ASM Handbook Volume 4A, 2024.

O ASM Handbook Volume 4A, Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes, aborda a austenitização, a têmpera, o recozimento, o revenimento, a austêmpera, a martêmpera, o endurecimento superficial, a dureza, a temperabilidade, a distorção e processos relacionados (ASM International, 2024). Esses temas estão ligados por um princípio: a resposta de um aço depende conjuntamente de sua composição e de seu histórico térmico.

Ciclos térmicos e transformação metalúrgica[2][2] Steel Metallurgy & Heat Treatment course outline. ASTM International. ASTM International course outline, 2024.

O aço contém fases cuja estabilidade varia com a temperatura e a composição. A ferrita é uma fase de ferro relativamente macia, com estrutura cúbica de corpo centrado e solubilidade limitada para o carbono. A austenita tem estrutura cúbica de face centrada e pode dissolver uma quantidade muito maior de carbono. A cementita, ou carboneto de ferro, é dura e frágil. Dependendo do teor de carbono, da taxa de resfriamento e das adições de elementos de liga, esses constituintes podem formar perlita, bainita ou martensita. O programa do curso Steel Metallurgy & Heat Treatment da ASTM International identifica ferrita, austenita, cementita, perlita, martensita e bainita como fases e estruturas centrais no processamento do aço (ASTM International, 2024).

Durante a austenitização, o aço é aquecido até uma faixa de temperatura na qual parte ou toda a sua ferrita, perlita ou cementita original se transforma em austenita. A manutenção permite que o carbono se dissolva e que as diferenças de temperatura diminuam, mas uma manutenção excessiva pode aumentar o tamanho dos grãos de austenita, intensificar a oxidação e prejudicar a tenacidade ou aumentar a distorção posteriormente. A temperatura e o tempo necessários dependem do grau do aço, da microestrutura anterior, da espessura da seção, da circulação no forno e da transformação desejada.

O resfriamento determina então no que a austenita se transformará. O resfriamento lento pode permitir a formação, controlada por difusão, de ferrita e perlita. Um resfriamento intermediário pode produzir bainita. O resfriamento rápido pode suprimir a difusão por tempo suficiente para que a austenita se transforme em martensita, uma estrutura supersaturada e altamente tensionada. A martensita proporciona alta dureza, mas a martensita não revenida pode conter tensões residuais substanciais e ser excessivamente frágil para o serviço. O revenimento rea aquece o aço temperado a uma temperatura abaixo da faixa de transformação da austenita, permitindo uma redistribuição controlada do carbono e reduzindo as tensões, ao mesmo tempo que altera a dureza e a tenacidade.

Os principais tratamentos representam, portanto, diferentes percursos térmicos, e não receitas intercambiáveis. O recozimento geralmente utiliza resfriamento lento para amolecer o aço, melhorar a ductilidade, reduzir as tensões residuais ou melhorar a usinabilidade. A normalização utiliza resfriamento ao ar a partir da faixa austenítica e frequentemente produz uma estrutura mais fina e resistente que o recozimento pleno. A têmpera seguida de revenimento busca um equilíbrio selecionado entre resistência, dureza e tenacidade. A austêmpera forma bainita por meio de uma transformação em temperatura intermediária, enquanto a martêmpera reduz a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo antes da formação da martensita, diminuindo o risco de distorção sem eliminar a necessidade de revenimento.

O endurecimento por chama e o endurecimento por indução aquecem rapidamente apenas uma camada superficial e, em seguida, a temperam. O resultado pode ser uma camada martensítica com um interior comparativamente tenaz, mas a profundidade da camada, o teor de carbono, a geometria, a potência aplicada e o momento da têmpera devem ser todos controlados. A ISO 683-1:2016 especifica os requisitos de fornecimento para aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas. A norma não estabelece que um único ciclo seja adequado para todos os graus de aço ou componentes.

Propriedades versus microestrutura

As propriedades do aço dependem da microestrutura e do histórico térmico, e não apenas da temperatura do forno. Strong evidence

As propriedades mecânicas são consequências da estrutura, e não consequências diretas da temperatura do forno. Dois aços na mesma temperatura nominal podem apresentar dureza ou tenacidade diferentes porque contêm diferentes teores de carbono, elementos de liga, tamanhos de grão, precipitados, populações de inclusões ou tensões residuais. Mesmo dentro de um único grau de aço, uma barra forjada, uma chapa trabalhada a frio e uma peça previamente temperada e revenida não iniciam o tratamento na mesma condição metalúrgica.

TemperabilidadeTemperabilidade A capacidade de uma seção de aço desenvolver uma estrutura endurecida ao longo de sua profundidade sob condições especificadas de austenitização e resfriamento; ela é distinta da dureza máxima alcançável.

O carbono afeta fortemente a quantidade e a dureza da martensita, enquanto o cromo, o molibdênio, o manganês, o níquel e outros elementos de liga alteram as temperaturas de transformação e retardam as reações controladas por difusão. O boro, quando adequadamente controlado, pode aumentar a temperabilidade em aços apropriados. Temperabilidade não é o mesmo que dureza máxima. A dureza máxima é determinada em grande parte pelo teor de carbono; a temperabilidade descreve até que profundidade um aço pode desenvolver uma estrutura endurecida sob uma determinada condição de resfriamento.

A microestrutura também explica por que a dureza, sozinha, não pode definir um tratamento bem-sucedido. Um valor elevado de dureza pode indicar martensita, mas não revela se a peça contém trincas de têmpera, quantidade excessiva de austenita retida, grãos grosseiros de austenita prévia ou tensões de tração prejudiciais. Uma dureza mais baixa pode ser intencional quando a tenacidade ao impacto, a resistência à fadiga, a usinabilidade ou a estabilidade dimensional são mais importantes.

O diagrama de fases ferro–carboneto de ferro descreve relações de fases em equilíbrio ou próximas do equilíbrio. Ele ajuda a identificar faixas de transformação e a solubilidade do carbono, mas não prevê o resultado completo de uma têmpera prática. Os diagramas de transformação-tempo-temperatura descrevem transformações durante a manutenção isotérmica; os diagramas de transformação durante aquecimento contínuo e durante resfriamento contínuo descrevem percursos mais semelhantes aos utilizados em fornos e equipamentos de produção. O capítulo de 2024 da ASM sobre tratamentos distingue especificamente esses diagramas e aborda o controle da distorção e das tensões residuais. A diferença é importante porque as transformações exigem tempo, e o resfriamento industrial raramente é instantâneo ou perfeitamente uniforme.

Por que a temperatura, sozinha, não é suficiente

Uma temperatura indicada, como 850 °C, descreve o valor de ajuste do forno, e não a condição térmica completa de um componente. Uma chapa fina de 10 mm pode atingir essa temperatura de maneira rápida e uniforme. Um dente de engrenagem grande, um eixo espesso ou um reparo de solda podem apresentar uma superfície quente e um núcleo mais frio durante uma parte substancial do ciclo. Se a superfície se transformar ou se expandir antes do interior, surgirão tensões. A têmpera pode então acrescentar contração térmica e deformação de transformação, produzindo distorção ou trincas mesmo quando a temperatura do forno estava correta.

A taxa de aquecimento também altera a resposta. O aquecimento rápido pode deixar uma seção termicamente desigual e pode impedir transformações que ocorreriam durante um aquecimento mais lento. Ele também pode aumentar as tensões térmicas. O aquecimento lento pode favorecer o crescimento indesejado dos grãos ou permitir reações superficiais antes que a temperatura-alvo seja atingida. O tempo de manutenção deve ser suficiente para que a região mais fria atinja a condição necessária, e não apenas suficiente para que o visor do forno indique o valor de ajuste.

A atmosfera é outra variável de controle. O oxigênio pode produzir carepa e descarbonetação; atmosferas que contêm carbono podem alterar o potencial de carbono da superfície. Qualquer uma dessas condições altera a dureza e as dimensões da superfície, mesmo que o núcleo receba o ciclo pretendido. Por isso, banhos de sais, fornos a vácuo, gases protetores e fornos a ar produzem diferentes resultados superficiais.

A severidade do resfriamento, a agitação, a temperatura do meio de têmpera, a orientação da peça e a geometria determinam a curva de resfriamento real. Cantos vivos resfriam de maneira diferente de faces amplas, e furos ou nervuras finas podem criar gradientes locais de temperatura. O trabalho a frio anterior, a segregação, as zonas termicamente afetadas pela soldagem e o revenimento anterior também alteram os locais de nucleação e a cinética de transformação.[3][3] Fundamentals of the Heat Treating of Steel. ASM International. ASM technical monograph, 2024.[4][4] ISO 17663:2023. International Organization for Standardization. International standard, 2023.

A ISO 17663:2023 inclui o tratamento térmico associado à soldagem e a processos correlatos em uma estrutura de requisitos de qualidade que abrange trabalhos realizados em oficinas ou no local, principalmente para aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados. Esse contexto é importante: o ciclo térmico deve ser especificado, monitorado e verificado, especialmente quando o alívio de tensões, o controle do hidrogênio, o aquecimento entre passes ou o tratamento local pós-soldagem afetam o desempenho em serviço. O tratamento térmico é, portanto, um histórico controlado de todo o componente — não um único número no controlador do forno.

Composição do aço e sistema ferro–carbono

Ferro puro e solubilidade do carbono

O tratamento térmico do aço começa com um sistema aparentemente simples: ferro contendo carbono. A simplicidade termina quando temperatura, composição e taxa de resfriamento são consideradas em conjunto. O ferro puro muda sua estrutura cristalina à medida que a temperatura aumenta. Abaixo de 912 °C, ele é principalmente ferrita, ou ferro α, com uma rede cúbica de corpo centrado (CCC). Entre 912 e 1394 °C, transforma-se em austenita, ou ferro γ, com uma rede cúbica de face centrada (CFC). De 1394 °C até seu ponto de fusão, próximo de 1538 °C, ele é ferrita δ, outra forma CCC.

Solubilidade do carbono

O carbono ocupa sítios intersticiais nessas redes, mas o espaço disponível difere acentuadamente. A ferrita dissolve muito pouco carbono: sua solubilidade máxima de equilíbrio é de aproximadamente 0,022% em massa de C a 727 °C, e sua solubilidade à temperatura ambiente é mais próxima de 0,008% em massa de C. A austenita pode conter uma quantidade muito maior, alcançando aproximadamente 2,14% em massa de C a 1147 °C no sistema metaestável ferro–carboneto de ferro. Essa diferença é fundamental para o endurecimento. Durante a austenitização, o carbono entra na rede CFC e também pode dissolver-se a partir da cementita. Se a austenita for então resfriada suficientemente rápido, o carbono não poderá difundir-se para fora da maneira usual. A rede muda em direção à forma CCC, mas o carbono retido produz martensita, uma fase supersaturada e altamente tensionada.

Portanto, o carbono faz mais do que aumentar a dureza como soluto direto. Ele altera quais fases são estáveis, as temperaturas nas quais as transformações começam, a quantidade de carboneto que pode se formar e a resposta ao resfriamento. Em baixas concentrações, ferrita e perlita podem formar-se prontamente durante o resfriamento lento. Em concentrações mais altas, o equilíbrio desloca-se para um maior teor de perlita ou cementita. Sob resfriamento rápido, o mesmo carbono pode permanecer na martensita.

O teor de carbono de uma qualidade nominal não representa todo o histórico térmico. A espessura da seção, o tamanho de grão anterior, a taxa de aquecimento, a temperatura de austenitização, o tempo de permanência, o meio de têmpera, a condição superficial e a uniformidade da temperatura podem alterar a microestrutura resultante. Por esse motivo, o tratamento de 2024 da ASM International sobre os fundamentos do aço aborda o sistema ferro–carbono juntamente com austenitização, diagramas de transformação, dureza, temperabilidade, têmpera, revenimento e controle das tensões residuais: a composição fornece as possibilidades, enquanto o ciclo térmico seleciona entre elas.

O diagrama de fases ferro–carboneto de ferro

O diagrama comumente chamado de diagrama de fases ferro–carbono é, mais precisamente, o diagrama metaestável ferro–carboneto de ferro, ou diagrama Fe–Fe₃C. A cementita, Fe₃C, contém 6,67% em massa de carbono. Ela não representa o estado final de equilíbrio do carbono em todas as circunstâncias; a grafita é termodinamicamente mais estável que a cementita em algumas condições, especialmente em determinados ferros fundidos e em composições contendo silício. Ainda assim, o diagrama Fe–Fe₃C descreve as transformações de muitos aços com precisão útil, porque a cementita se forma prontamente e pode persistir durante períodos de tempo práticos.

Sua principal reação invariante para aços-carbono comuns é a transformação eutetoide próxima de 727 °C:

austenita → ferrita + cementita.

Transformação eutetoideTransformação eutetoide Reação no estado sólido na qual a austenita se transforma em ferrita e cementita próximo de 727 °C no sistema metaestável ferro–carboneto de ferro.

Na composição eutetoide, de aproximadamente 0,76% em massa de C, essa reação produz perlita, uma mistura lamelar de ferrita e cementita. Os aços com menos de aproximadamente 0,76% em massa de C são denominados hipoeutetoides nesse sistema; durante o resfriamento lento, forma-se ferrita proeutetoide antes que a austenita remanescente se transforme em perlita. Os aços acima da composição eutetoide e abaixo da faixa dos ferros fundidos são hipereutetoides; forma-se cementita proeutetoide antes que a austenita residual se transforme em perlita. Os valores-limite são convenções do diagrama e podem variar ligeiramente entre as referências, mas a sequência é o ponto importante.

O diagrama também identifica a reação eutética a aproximadamente 4,3% em massa de C e 1147 °C, na qual o líquido se transforma em austenita mais cementita no sistema metaestável. Os aços comuns situam-se muito abaixo desse nível de carbono, enquanto os ferros fundidos comumente se aproximam dele ou o ultrapassam. As linhas liquidus e solidus, além dos campos de ferrita, austenita, cementita e duas fases, mostram quais constituintes podem coexistir em equilíbrio para uma composição e temperatura específicas.

Entretanto, elas não informam ao engenheiro o que uma peça conterá após uma têmpera industrial. Um diagrama de equilíbrio pressupõe tempo suficiente para a difusão e não incorpora o fator tempo. Ele não pode prever o início da martensita, a formação de bainita, o espaçamento da perlita ou a profundidade até a qual uma seção endurece. Essas questões exigem diagramas de transformação tempo–temperatura–transformação (TTT) para condições isotérmicas e diagramas de transformação em aquecimento contínuo ou resfriamento contínuo (CCT) para temperaturas variáveis. O capítulo de 2024 da ASM sobre os princípios básicos do tratamento térmico aborda explicitamente esses diagramas de forma separada do diagrama ferro–carbono, juntamente com distorções e tensões residuais.

A taxa de resfriamento pode alterar a estrutura final sem alterar o teor de carbono do aço. Strong evidence

Um aço resfriado lentamente pode aproximar-se das relações de fases mostradas pelo diagrama de equilíbrio ou pelo diagrama metaestável. Um aço resfriado através do nariz de uma curva de transformação pode formar perlita ou bainita; se for resfriado ainda mais rapidamente, poderá atingir a temperatura de início da martensita antes que ocorra a transformação por difusão. Portanto, a estrutura final pode ser ferrita–perlita, bainita, martensita, austenita retida ou uma mistura dessas fases, mesmo quando o teor de carbono permanece inalterado.

Classificação pelo carbono e efeitos dos elementos de liga

A classificação pelo carbono fornece uma primeira descrição, não uma especificação completa de tratamento térmico. Os aços de baixo carbono são frequentemente descritos como contendo menos de aproximadamente 0,25% em massa de C; os aços de médio carbono, aproximadamente 0,25–0,60% em massa de C; e os aços de alto carbono, aproximadamente 0,60–1,00% em massa de C ou mais. Essas faixas são agrupamentos práticos, e não limites universais de normas. Uma designação como AISI 1045 identifica um aço nominal de médio carbono, enquanto a ISO 683-1:2016 abrange aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas. A designação, por si só, não substitui os limites químicos especificados nem os requisitos de tratamento térmico.

O aumento do teor de carbono geralmente eleva a dureza alcançável após a têmpera, porque a martensita contém mais carbono retido. Ele também reduz a temperatura de início da martensita, aumenta o risco de austenita retida e pode aumentar a ocorrência de trincas de têmpera e distorções. Os aços ricos em carbono podem exigir um controle mais rigoroso da temperatura de austenitização, porque a dissolução excessiva ou o crescimento de grão podem prejudicar a tenacidade. Em teores mais baixos de carbono, a martensita pode ser relativamente macia, a menos que os elementos de liga e as condições de resfriamento proporcionem um endurecimento adicional.

Os elementos de liga alteram o diagrama e a cinética de transformação. O manganês e o níquel geralmente estabilizam a austenita e reduzem as temperaturas de transformação; o manganês também retarda a formação de ferrita e perlita, aumentando a temperabilidade. O cromo, o molibdênio e o tungstênio retardam as transformações por difusão e podem promover um endurecimento mais profundo em seções espessas. O cromo, o molibdênio, o vanádio e o nióbio podem formar carbonetos de liga estáveis, enquanto o titânio forma um carbonitreto de titânio especialmente estável. Essas partículas podem restringir o crescimento do grão de austenita, mas também podem exigir temperaturas de austenitização mais altas ou tempos de permanência mais longos para uma dissolução parcial.

O silício fortalece a ferrita e tende a suprimir a formação de cementita, o que afeta as reações bainíticas e de revenimento. O boro, quando presente em quantidades controladas muito pequenas e protegido da combinação com oxigênio e nitrogênio, pode aumentar acentuadamente a temperabilidade ao retardar a nucleação da ferrita nos contornos dos grãos de austenita anterior. O níquel geralmente melhora a tenacidade e não forma um carboneto da mesma maneira que o cromo ou o molibdênio.

Os elementos de liga também alteram a resposta ao revenimento. O molibdênio pode reduzir a fragilidade de revenimento e favorecer o endurecimento secundário; o cromo, o vanádio e o tungstênio podem produzir precipitação de carbonetos secundários durante o revenimento em alta temperatura. Portanto, um aço-liga temperado e revenido pode responder de maneira muito diferente de um aço-carbono com o mesmo teor de carbono e à mesma temperatura nominal de revenimento. A referência de 1984 Steel and Its Heat Treatment aborda aços ao carbono, ligados, ao boro, microligados e bifásicos por meio de seus diagramas TTT, temperabilidade, fragilidade de revenimento e resposta ao tratamento, e não apenas pelo teor de carbono.

A composição determina a estabilidade das fases. O tempo e a temperatura determinam se as transformações disponíveis podem ocorrer. A geometria da seção e o controle das tensões residuais determinam se a peça resultante sobreviverá ao processo. Essa interação, e não um número de carbono isolado, é a base para a seleção de um ciclo de tratamento térmico.

As principais fases e microconstituintes

O tratamento térmico do aço altera as propriedades ao modificar quais fases se formam, quanto de cada uma está presente e como essas regiões estão organizadas. O programa do curso da ASTM International identifica ferrita, austenita, cementita, perlita, martensita e bainita entre os principais constituintes da metalurgia do aço. A ASM International separa o mesmo tema em relações de equilíbrio, cinética de transformação, temperabilidade, têmpera, revenimento e controle de tensões. Essa distinção é importante porque o diagrama ferro–carboneto de ferro indica quais fases são estáveis ou metaestáveis em uma determinada composição e temperatura, enquanto os diagramas TTT e CCT indicam se um ciclo térmico real fornece tempo suficiente para que essas fases ou produtos de transformação se formem.

Uma fase possui uma estrutura cristalina distinta e uma faixa específica de composição química. Um microconstituinte pode conter mais de uma fase em um arranjo característico. A literatura técnica nem sempre mantém essa distinção: “fase perlítica” e “fase bainítica” aparecem com frequência em textos de engenharia, embora perlita e bainita sejam mais bem descritas como microconstituintes de transformação. A terminologia imprecisa é compreensível porque cada uma apresenta uma faixa de transformação, uma morfologia e uma resposta às propriedades reconhecíveis.

Ferrita, austenita e cementita

A ferrita é a forma cúbica de corpo centrado (BCC) do ferro, normalmente designada α-ferrita abaixo da temperatura de transformação A1 em aços carbono comuns. Sua solubilidade de carbono é muito baixa. A 727 °C, a temperatura eutetoide comumente utilizada para o diagrama ferro–carboneto de ferro, a ferrita consegue dissolver apenas cerca de 0,022% em massa de carbono; em temperaturas mais baixas, sua solubilidade de equilíbrio diminui ainda mais. Os elementos de liga alteram esse valor e podem modificar a estabilidade da ferrita, mas ela geralmente continua sendo um constituinte relativamente macio e dúctil em comparação com a martensita ou com estruturas ricas em carbonetos.

Isso não torna a ferrita mecanicamente insignificante. Uma matriz ferrítica pode absorver deformação plástica e resistir à formação de trincas frágeis, contribuindo para a ductilidade e a tenacidade quando o tamanho de grão, o teor de inclusões e os constituintes circundantes são controlados. Sua baixa dureza geralmente limita a resistência ao desgaste abrasivo, embora uma estrutura ferrítica de granulação fina possa apresentar desempenho superior ao de uma estrutura grosseira sob carregamento de contato ou cíclico. A ferrita também contribui para a resposta dimensional por meio de sua expansão térmica, módulo de elasticidade e histórico de transformação. A formação desigual de ferrita ao longo de uma seção pode produzir diferenças locais de resistência e tensão residual.

A austenita é a forma cúbica de face centrada (FCC) do ferro, designada γ-ferro. Sua solubilidade de carbono é muito maior que a da ferrita: o diagrama ferro–carboneto de ferro indica um máximo próximo de 2,14% em massa de carbono a aproximadamente 1147 °C. A austenita é, portanto, a fase matriz central de muitos tratamentos térmicos de aços. Durante a austenitização, a ferrita e a cementita se dissolvem em uma extensão determinada pela composição, temperatura, tempo e microestrutura anterior. A dissolução completa nem sempre é desejada; carbonetos de liga não dissolvidos podem ser necessários para o controle do tamanho de grão ou para o desempenho quanto ao desgaste em aços-liga.

A austenita é geralmente mais dúctil nas temperaturas de austenitização do que os produtos formados durante o resfriamento, mas seu comportamento à temperatura ambiente depende de sua estabilidade. Carbono, manganês, níquel, cromo e outros elementos de liga podem reduzir as temperaturas de transformação ou retardar a decomposição. O tamanho da seção e a velocidade de resfriamento determinam então se a austenita se transforma em perlita, bainita, martensita ou uma mistura dessas estruturas. O crescimento dos grãos de austenita durante um aquecimento excessivo pode reduzir a tenacidade após o resfriamento, mesmo que a dureza final pareça aceitável.

A cementita é o carboneto de ferro, Fe₃C. É um composto duro e relativamente frágil, contendo 6,67% em massa de carbono no sistema metastável ferro–carboneto de ferro. A cementita ocorre comumente na forma de placas ou partículas dentro da perlita, como partículas associadas à ferrita bainítica ou como partículas esferoidizadas em uma estrutura recozida. Sua dureza pode melhorar a resistência à abrasão e à indentação, mas uma rede contínua ou grosseira de cementita pode reduzir a ductilidade e a tenacidade à fratura. A forma do carboneto é tão importante quanto sua quantidade: partículas arredondadas geralmente interrompem as trajetórias de trincas menos severamente do que filmes finos ou carbonetos interconectados nos contornos de grão.

A palavra “equilíbrio” exige cautela nesse contexto. A cementita é metastável em relação ao grafite, mas constitui a referência prática de carboneto para a maioria dos diagramas de aços carbono e de baixa liga, bem como para os cálculos de tratamentos térmicos. Adições de elementos de liga podem estabilizar outros carbonetos, como os carbonetos ricos em cromo; portanto, o Fe₃C, isoladamente, não pode descrever todos os aços-ferramenta ou aços de alta liga.

Perlita e bainita

A perlita se forma quando a austenita se decompõe cooperativamente em ferrita e cementita alternadas. Em uma colônia convencional de perlita grosseira, as duas fases aparecem como lamelas; em temperaturas de transformação mais baixas, o espaçamento interlamelar se torna mais fino. A perlita é, portanto, um microconstituinte bifásico, e não uma única fase cristalográfica. Sua dureza aumenta à medida que o espaçamento lamelar diminui, porque as barreiras de cementita fina restringem o movimento das discordâncias. A perlita grosseira geralmente oferece maior ductilidade e usinabilidade que a perlita fina, enquanto a perlita fina pode proporcionar uma combinação útil de resistência, resistência ao desgaste e tenacidade moderada.

A formação da perlita é controlada por difusão. O carbono deve se redistribuir das regiões que se tornam ferrita para a cementita, de modo que a transformação exige tempo em uma temperatura adequada. Um resfriamento lento no forno promove perlita relativamente grosseira, enquanto a normalização produz perlita mais fina por meio de um resfriamento mais rápido ao ar e de uma estrutura mais fina dos grãos de austenita prévios. Nenhuma dessas respostas é universal: o teor de elementos de liga, o nível de carbono, a espessura da seção e as condições de resfriamento determinam o tamanho e a fração efetivos das colônias. A perlita também pode contribuir para a variação dimensional, pois a transformação da austenita envolve uma alteração do volume específico, e o resfriamento não uniforme pode deixar tensões residuais.

A bainita se forma a partir da austenita em temperaturas abaixo da faixa da perlita e acima da temperatura na qual a martensita começa a se formar, embora os limites não sejam constantes fixas para todos os aços. Ela consiste principalmente em regiões ferríticas contendo áreas enriquecidas em carbono e partículas de carboneto. A bainita superior normalmente se forma em temperaturas de transformação mais altas, com carbonetos entre ripas ou placas de ferrita; a bainita inferior se forma em temperaturas mais baixas, com carbonetos mais finos dentro da ferrita ou estreitamente associados a ela. A morfologia exata depende do teor de carbono, dos elementos de liga, da temperatura de transformação e do percurso de resfriamento.

A bainita também é um microconstituinte, e não uma única fase. Sua dureza geralmente excede a da perlita grosseira e pode se aproximar ou se sobrepor à faixa inferior da martensita revenida, mas nenhuma dureza única deve ser atribuída sem especificar a composição e a condição. Estruturas bainíticas podem proporcionar resistência e resistência ao desgaste úteis, mantendo mais tenacidade que a martensita não revenida. O austêmpera é projetado para formar uma estrutura bainítica controlada, mas uma transformação incompleta pode deixar austenita retida. A distorção pode ser menor que a obtida com uma têmpera direta em algumas geometrias, porque a transformação ocorre de maneira mais uniforme; contudo, os gradientes térmicos e as tensões de transformação continuam sendo significativos.

Martensita e austenita retida

A martensita se forma quando a austenita resfria rapidamente o suficiente para suprimir a formação, controlada por difusão, de perlita e bainita. É um produto de transformação sem difusão e deslocativo: o carbono não tem tempo para se particionar em cementita de equilíbrio durante a transformação e, portanto, permanece aprisionado em uma rede de ferro supersaturada. No aço carbono, a estrutura resultante é geralmente descrita como tetragonal de corpo centrado (BCT), embora a tetragonalidade dependa fortemente do teor de carbono e possa ser pequena na martensita de baixo carbono. A martensita pode aparecer como ripas em aços de baixo e médio carbono ou como placas em aços de maior teor de carbono.

A martensita recém-formada e não revenida é dura porque sua supersaturação, deformação da rede, alta densidade de discordâncias e subestrutura de transformação dificultam a deformação plástica. Essa dureza pode melhorar a resistência à indentação e ao desgaste abrasivo, mas a martensita não revenida frequentemente apresenta tenacidade limitada e pode ser suscetível à formação de trincas, especialmente quando o teor de carbono, o tamanho dos grãos de austenita prévios, a severidade da têmpera e a tensão residual são elevados. O revenimento permite a precipitação controlada de carbonetos e o alívio de tensões, reduzindo a dureza em troca de maior ductilidade e resistência à fratura. A condição de revenimento selecionada deve corresponder ao requisito de serviço, em vez de tratar a dureza máxima como o único objetivo.

Nem toda a austenita necessariamente se transforma durante a têmpera. A austenita que permanece abaixo da temperatura final de formação da martensita é chamada de austenita retida. Sua quantidade depende do teor de carbono e de elementos de liga, das condições de austenitização, da velocidade de resfriamento e das temperaturas Ms e Mf. A austenita retida pode melhorar a tenacidade em algumas estruturas cuidadosamente controladas, mas também é dimensionalmente instável. Ela pode se transformar em martensita durante o serviço, o tratamento subzero, a retificação, o impacto ou o revenimento, causando expansão retardada, alteração da dureza ou distorção. Sua transformação também pode gerar tensão local e iniciar trincas quando a martensita circundante restringe a variação de volume.

Por esse motivo, medições de dureza, isoladamente, não estabelecem se um aço temperado possui a microestrutura pretendida. Uma especificação pode exigir o controle da austenita retida, do tamanho de grão, da descarbonetação ou da distorção, além da dureza. A ISO 683-1:2016 trata de aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, ao austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e a determinadas condições normalizadas. A ISO 17663:2023 enquadra o tratamento térmico associado à soldagem e a componentes conformados em uma estrutura de requisitos de qualidade, principalmente para aços ferríticos. Ambas as normas refletem o ponto prático: a seleção das fases e o controle das transformações devem estar relacionados à composição, à geometria, ao histórico térmico e à resposta mecânica e dimensional exigida.

Austenitização: o ponto de partida para muitos tratamentos

A austenitização é o aquecimento controlado do aço até a faixa de temperatura na qual se forma a austenita, seguido de um tempo suficiente nessa temperatura para que ocorram a transformação necessária e a redistribuição química. É a etapa inicial de muitos ciclos de têmpera e revenimento, martêmpera, austêmpera, têmpera por chama e têmpera por indução. Sem austenita, a etapa subsequente de resfriamento não pode produzir a estrutura de martensita ou bainita pretendida.

O objetivo não é simplesmente aquecer o aço. O objetivo é criar austenita com o teor correto de carbono, a distribuição adequada dos elementos de liga, o tamanho de grão apropriado e uniformidade espacial antes que o resfriamento altere o percurso de transformação. O programa de curso de metalurgia do aço da ASTM International de 2024 coloca a austenita ao lado da ferrita, cementita, perlita, martensita e bainita como parte central da estrutura de fases e processos. A ASM International também trata a austenitização como um elemento de um sistema mais amplo que inclui diagramas de transformação, temperabilidade, têmpera, distorção e controle de tensões residuais.

Aquecimento até o campo da austenita

No aço-carbono comum, a austenitização começa acima da temperatura crítica inferior, na qual a ferrita e a perlita se transformam em direção à austenita. A temperatura exata depende do teor de carbono, da microestrutura inicial, da taxa de aquecimento e das adições de liga. Um aço hipoeutetoide, como um aço típico de médio teor de carbono, geralmente deve ser aquecido acima da temperatura crítica superior para que a ferrita se dissolva e a estrutura se torne predominantemente austenítica. Um aço hipereutetoide costuma ser aquecido entre a temperatura crítica inferior e a linha solvus da cementita quando se deseja reter intencionalmente uma quantidade de cementita não dissolvida.

O diagrama ferro–carboneto de ferro descreve a estabilidade das fases em equilíbrio, mas um ciclo de forno não é um experimento em equilíbrio. A taxa de aquecimento desloca as temperaturas de transformação observadas, e os elementos de liga podem retardar a formação da austenita ou a dissolução dos carbonetos. Cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio e titânio podem formar carbonetos estáveis que exigem temperaturas mais elevadas ou tempos de permanência mais longos para se dissolverem. Níquel e manganês alteram as temperaturas de transformação e a temperabilidade sem se comportarem como elementos formadores de carbonetos da mesma maneira. O carbono é especialmente importante: ele deve entrar na austenita em quantidade controlada, pois sua concentração afeta a temperatura de início da martensita, a dureza, a austenita retida e a alteração dimensional.

A austenitização, portanto, precede a têmpera porque a têmpera transforma a austenita presente no instante em que o resfriamento começa. Se ferrita, perlita ou carbonetos não dissolvidos permanecerem além da quantidade especificada, a estrutura final poderá conter regiões macias ou uma distribuição de carbono diferente daquela considerada no projeto. Entretanto, se o aço for aquecido excessivamente, a solução não será automaticamente obter maior dureza. Temperaturas excessivas podem aumentar o tamanho dos grãos de austenita, intensificar a oxidação e a descarbonetação, favorecer a distorção e dissolver carbonetos que deveriam restringir o crescimento de grão ou proporcionar resistência ao desgaste.

O mesmo princípio se aplica aos tratamentos superficiais. Na têmpera por indução ou por chama, somente uma camada próxima à superfície pode atingir o campo da austenita. A profundidade aquecida, a temperatura máxima e o tempo acima da faixa crítica determinam a camada endurecida. Um ciclo curto e intenso pode preservar um tamanho de grão fino, mas também cria gradientes térmicos acentuados e exige controle preciso da potência, da velocidade de deslocamento, do acoplamento e do resfriamento.

Dissolução, crescimento de grão e homogeneização

Quando a ferrita e a perlita se transformam, a cementita se dissolve e o carbono se difunde para a nova austenita. O processo não é instantâneo. Uma peça pode apresentar a temperatura correta no forno enquanto seu centro ainda está abaixo da faixa de transformação, especialmente quando a seção é espessa, a carga é densa ou a circulação do forno é deficiente. O tempo de permanência deve, portanto, basear-se no tempo necessário para que a região significativa mais fria do componente atinja a temperatura, e não apenas no momento em que o visor do forno alcança o valor de ajuste.

A dissolução produz efeitos concorrentes. São necessários tempo e temperatura suficientes para eliminar a perlita ou a ferrita indesejadas e distribuir o carbono para que a austenita possa se transformar conforme o previsto durante o resfriamento. Nos aços-liga, alguns carbonetos podem precisar de dissolução parcial para fornecer carbono e elementos de liga à austenita. A dissolução completa pode ser indesejável. Carbonetos de liga retidos podem limitar o crescimento dos grãos de austenita, contribuir para a resistência ao desgaste e controlar o teor de carbono da matriz.

O crescimento de grão se acelera quando a austenita é mantida em temperatura desnecessariamente elevada. Grãos grosseiros de austenita prévia reduzem a tenacidade e podem aumentar a severidade das trincas de têmpera ou a sensibilidade à fratura, mesmo quando a dureza atende a um valor nominal. Eles também alteram a cinética de transformação e podem modificar a profundidade e a uniformidade do endurecimento. A austenita de granulação fina não é produzida por um único tempo universal de permanência; ela resulta do ajuste entre temperatura, taxa de aquecimento, condição inicial, composição da liga e tamanho da seção.

O processamento anterior é importante. Aços normalizados, recozidos, forjados, deformados a frio e soldados podem entrar no forno com diferentes distribuições de carbonetos, tamanhos de grão e tensões residuais. Um componente de 42CrMo4 forjado e uma chapa fina da mesma qualidade nominal não responderão de maneira idêntica ao mesmo ciclo. A ISO 683-1:2016 trata de aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, à têmpera por chama, à têmpera por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas; a designação da qualidade e a condição de fornecimento especificada continuam sendo dados essenciais para o ciclo.

A austenitização também pode homogeneizar a composição química local, mas apenas dentro de limites práticos. A segregação proveniente da fundição, a bandagem resultante da laminação, a variação no metal de solda e a contaminação superficial podem persistir quando as distâncias de difusão são grandes. Um tempo de permanência mais longo pode reduzir alguns gradientes, mas provocar crescimento de grão e danos superficiais. O tratamento térmico não pode eliminar todos os defeitos do processamento anterior.

Controle do tempo, da temperatura e da atmosfera

O valor de ajuste do forno é apenas uma variável de controle. O ciclo térmico real inclui a taxa de aquecimento, a disposição da carga, a temperatura da peça, a uniformidade da temperatura, a duração da permanência, o tempo de transferência até a têmpera e a atmosfera que envolve o aço. A geometria influencia todos esses fatores. Bordas finas aquecem rapidamente e podem superaquecer antes que um cubo espesso atinja a temperatura-alvo; furos, rasgos de chaveta, roscas e mudanças bruscas de seção criam concentrações térmicas e de tensão locais. Os dispositivos de fixação podem impedir que o calor radiante alcance determinadas superfícies ou restringir a circulação.

Termopares posicionados próximos à parede do forno podem indicar uma temperatura estável enquanto o centro do componente permanece mais frio. Por isso, a prática industrial utiliza levantamentos qualificados do forno, termopares na carga, corpos de prova representativos ou modelos validados de transferência de calor, quando necessário. A ISO 17663:2023 estabelece requisitos de qualidade para tratamentos térmicos realizados ao ar ou em atmosferas controladas, em oficinas ou no local, principalmente para aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados. Seu escopo reflete a questão prática: resultados repetíveis exigem equipamentos documentados, monitoramento, calibração e critérios de aceitação.

O controle da atmosfera protege a composição química da superfície. Gases oxidantes do forno produzem carepa, enquanto condições descarbonetantes removem carbono da superfície. Uma camada descarbonetada pode reduzir a dureza superficial após a têmpera, mesmo quando a composição e a dureza do núcleo estão corretas. Vácuo, gás inerte, banho de sal ou atmosferas endotérmicas controladas podem reduzir esses efeitos, mas cada alternativa introduz seus próprios controles de processo e requisitos de segurança. A condição superficial deve ser verificada por perfis de dureza, metalografia, inspeção dimensional ou medição da profundidade química quando a aplicação exigir.

O tempo na temperatura deve ser suficientemente longo para a transformação necessária e a equalização da temperatura, mas não mais do que isso. O resfriamento deve começar prontamente quando a condição de austenita especificada for alcançada, pois atrasos na transferência podem alterar o histórico térmico, especialmente em aços de alta temperabilidade ou componentes grandes. O resultado final é determinado por todo o percurso tempo–temperatura, e não por um número registrado no controlador do forno. É nessa distinção que começa uma austenitização repetível.

Diagramas de transformação e cinética do tratamento térmico

Um ciclo de tratamento térmico não pode ser selecionado apenas com base na temperatura. Primeiro, o aço deve ser austenitizado e, em seguida, submetido a uma trajetória específica de tempo–temperatura que determine se a austenita se transformará em ferrita, perlita, bainita ou martensita. O teor de carbono, as adições de elementos de liga, o tamanho de grão inicial, a espessura da seção, a taxa de aquecimento e a condição da estrutura inicial afetam essa trajetória. Os diagramas de transformação oferecem uma maneira de relacionar essas variáveis com eventos observáveis: o início da transformação, a taxa em que ela ocorre e o ponto em que está substancialmente concluída.

O diagrama de fases ferro–carboneto de ferro descreve a estabilidade de fases em condições de equilíbrio ou próximas do equilíbrio. Ele não prevê o resultado de uma têmpera rápida. Os diagramas TTT e CCT abordam essa questão mostrando como a transformação depende tanto do tempo quanto da temperatura. O tratamento dos fundamentos dos aços publicado pela ASM International em 2024 coloca esses diagramas ao lado de austenitização, temperabilidade, têmpera, recozimento, revenimento e controle de tensões residuais, pois nenhuma dessas operações pode ser especificada de modo confiável sem considerar a cinética de transformação.

Diagramas tempo–temperatura–transformação

Um diagrama tempo–temperatura–transformação, comumente chamado de diagrama TTT ou diagrama de transformação isotérmica, é obtido aquecendo-se corpos de prova até a região da austenita, transferindo-os rapidamente para temperaturas constantes selecionadas, mantendo-os nessas temperaturas e medindo quando a transformação começa e termina. O tempo é representado em um eixo horizontal logarítmico, enquanto a temperatura é representada verticalmente. As curvas de início e término frequentemente formam um C característico para as reações perlíticas e bainíticas.

A curva de início indica o período de incubação aproximado antes que uma fração detectável da austenita tenha se transformado. A curva de término indica quando a transformação selecionada está substancialmente concluída de acordo com o método de ensaio. Entre as curvas, ferrita, perlita ou bainita se desenvolve progressivamente; o diagrama não afirma que todo o corpo de prova muda de fase em um único instante. Portanto, uma linha horizontal em uma temperatura escolhida cruza a curva de início após um tempo de incubação e alcança a curva de término após um período de manutenção mais longo.

Em temperaturas logo abaixo da faixa eutetoide, a austenita pode formar perlita grosseira, com ferrita e cementita relativamente espaçadas. Em temperaturas mais baixas, o espaçamento interlamelar diminui e a perlita se torna mais fina. Uma faixa de temperatura ainda mais baixa pode produzir bainita, cuja disposição de ferrita e carboneto difere da perlita. Os limites exatos dependem da composição do aço e das condições do ensaio. Elementos de liga como cromo, molibdênio, níquel e manganês geralmente retardam as reações controladas por difusão ao alterar a estabilidade das fases e as taxas de difusão substitucional, embora seus efeitos não sejam idênticos em todos os tipos de aço.

Um diagrama TTT é especialmente útil para compreender tratamentos isotérmicos, como a austêmpera. A austenita é resfriada rapidamente até uma temperatura bainítica selecionada, mantida nessa temperatura até que ocorra a transformação desejada e, então, resfriada até a temperatura ambiente. O diagrama ajuda a determinar se a trajetória de resfriamento evita a formação de perlita e se o tempo de manutenção é suficiente para transformar a quantidade necessária de austenita. Ele também pode mostrar por que uma manutenção que parece adequada para uma composição não funciona para outra.

A temperatura de início da formação de martensita, designada $M_s$, é tratada de maneira diferente. A martensita é uma transformação sem difusão: o carbono não tem tempo de se redistribuir para formar cementita enquanto a rede cristalina muda de austenita para uma estrutura tetragonal de corpo centrado supersaturada. A martensita começa a se formar quando o aço é resfriado abaixo de seu $M_s$, que depende da composição, e a quantidade formada geralmente aumenta à medida que a temperatura cai em direção à temperatura de término da formação de martensita, $M_f$. A reação não é controlada por um período de incubação da mesma forma que a formação de perlita. Se a têmpera parar acima de $M_s$, a martensita não começa a se formar; se parar entre $M_s$ e $M_f$, parte da austenita poderá permanecer não transformada.

Diagramas de transformação por aquecimento contínuo e resfriamento contínuo

Fornos industriais e sistemas de têmpera raramente reproduzem as mudanças abruptas de temperatura usadas para construir um diagrama TTT. Um componente aquece continuamente, pode desenvolver gradientes de temperatura ao longo de sua seção e, em seguida, resfria continuamente ao ar, em óleo, polímero, água, sal ou gás controlado. Os diagramas de transformação por aquecimento contínuo (CHT) descrevem a transformação durante o aquecimento a uma taxa especificada, enquanto os diagramas de transformação por resfriamento contínuo (CCT) descrevem a transformação durante um resfriamento ininterrupto.

Tendência à transformação difusionalTendência à transformação martensítica

Um diagrama CCT geralmente contém várias curvas de resfriamento, cada uma representando uma taxa de resfriamento diferente. Uma curva lenta pode cruzar as regiões de início da formação de ferrita e perlita, produzindo produtos de transformação por difusão antes de alcançar a faixa da bainita ou da martensita. Uma curva mais rápida pode contornar essas regiões e entrar no campo da martensita. A taxa de resfriamento necessária para evitar a transformação antes de $M_s$ é a taxa crítica de resfriamento para o corpo de prova e a condição de austenitização específicos, e não um valor universal para uma família de aços.

A interseção da curva com os limites de início e término da transformação fornece uma previsão prática dos produtos formados. Por exemplo, uma trajetória de resfriamento para um corpo de prova de AISI 1045 pode passar por regiões de ferrita–perlita que uma trajetória comparável através de um corpo de prova de AISI 4140 evita, porque o cromo, o molibdênio e o manganês deslocam as reações de transformação para tempos mais longos. Portanto, os dois tipos de aço não podem compartilhar um único diagrama CCT genérico, mesmo que ambos sejam temperados e revenidos.

Os diagramas CCT são geralmente mais úteis do que os diagramas TTT para normalização, resfriamento ao ar, têmpera direta e ciclos de fornos de produção. Eles podem indicar se a superfície e o centro de uma peça espessa seguirão trajetórias diferentes. O centro resfria mais lentamente porque o calor precisa atravessar o material circundante; assim, ele pode formar perlita ou bainita enquanto a superfície alcança a região da martensita. Essa é a base da temperabilidade: não simplesmente a dureza máxima obtida na superfície, mas a profundidade até a qual uma estrutura ou dureza especificada pode ser produzida sob uma têmpera definida.

Nenhum dos dois diagramas é um mapa universal. Um diagrama identificado para AISI 4140, por exemplo, pode ter sido produzido utilizando uma faixa de carbono especificada, uma temperatura de austenitização, um tempo de manutenção, um tamanho de grão inicial, uma geometria de corpo de prova e um meio de resfriamento determinados. Alterar qualquer um desses fatores pode modificar o comportamento da transformação. Um tamanho de grão de austenita prévia mais fino fornece mais locais de nucleação e pode acelerar algumas transformações por difusão; um crescimento excessivo de grão pode retardá-las. Portanto, um ciclo comercial de tratamento térmico deve ser verificado em relação à corrida real do aço, às dimensões, à uniformidade do forno e às condições de têmpera.

Efeitos da nucleação, do crescimento e da taxa de transformação

A transformação controlada por difusão exige tanto nucleação quanto crescimento. A nucleação cria pequenas regiões de uma nova fase, enquanto o crescimento transporta átomos através da interface e amplia essas regiões. Em temperaturas próximas à temperatura de transformação de equilíbrio, a força motriz pode ser pequena demais para uma nucleação rápida. Em temperaturas muito mais baixas, a difusão se torna lenta. A transformação frequentemente é mais rápida em uma temperatura intermediária, o que explica o nariz da curva de início em forma de C.

A incubação é o período anterior à formação de uma quantidade suficiente de núcleos estáveis para que a transformação seja detectada. Ela não é tempo desperdiçado no sentido geral do processo; reflete a competição entre a força motriz termodinâmica, a energia interfacial e a mobilidade atômica. Assim, manter a austenita próxima ao nariz de um diagrama TTT pode consumir pouquíssimo tempo antes do início da formação de perlita, enquanto uma manutenção em temperatura mais alta pode exigir um período de incubação muito mais longo.

A taxa de crescimento também controla a estrutura resultante. Um crescimento mais rápido em temperaturas de transformação mais altas tende a produzir perlita mais grosseira, enquanto a transformação em temperaturas mais baixas produz um espaçamento mais fino e, geralmente, maior resistência. A bainita se forma por meio de uma combinação diferente de crescimento da ferrita e redistribuição do carbono, e sua morfologia varia com a temperatura. A martensita não depende do crescimento convencional controlado por difusão, mas gera alta densidade de discordâncias, deformação da rede e tensão residual; geralmente é necessário realizar o revenimento para reduzir esses efeitos e ajustar a dureza e a tenacidade.

Os diagramas de laboratório isolam variáveis em corpos de prova pequenos. Componentes de produção não fazem isso. Um eixo forjado pode entrar no forno com segregação, carepa, tensão residual e uma estrutura inicial não uniforme. Sua superfície pode aquecer e resfriar mais rapidamente que o núcleo, enquanto cantos, furos e transições abruptas alteram o fluxo de calor. Por isso, a ISO 17663:2023 trata o tratamento térmico associado à soldagem e a processos correlatos como uma operação sujeita a controle de qualidade, realizada em oficinas ou no local, incluindo atenção aos registros térmicos e às condições do processo. A ISO 683-1:2016, por sua vez, estabelece requisitos de fornecimento para aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e a determinadas condições normalizadas.

Os diagramas de transformação orientam a rota, mas não substituem a medição. Termopares, levantamentos de dureza, exames metalográficos e registros das condições do forno e da têmpera são necessários para confirmar que a trajetória pretendida foi realmente seguida. A questão relevante não é saber se um aço foi “aquecido e resfriado”, mas quais transformações ocorreram, onde ocorreram e como seu momento de ocorrência criou o equilíbrio final entre dureza, tenacidade, distorção e tensão residual.

Tratamentos de Recozimento e Normalização

O recozimento não é uma receita fixa de aquecimento e resfriamento. É uma família de ciclos térmicos selecionados para modificar a dureza, a ductilidade, a usinabilidade, as tensões residuais, a estrutura dos grãos ou a condição resultante de um processo anterior. O ciclo necessário depende do teor de carbono, dos elementos de liga adicionados, do tamanho da seção, da deformação anterior, da taxa de aquecimento, do tempo de permanência, da uniformidade da temperatura do forno e da trajetória de resfriamento pretendida. Um tratamento que amolece uma chapa fina de baixo carbono pode ser inadequado para um forjamento espesso de médio carbono, mesmo quando ambos são descritos como “recozidos”.

As transformações de fase subjacentes a esses tratamentos são geralmente discutidas com o diagrama ferro–carboneto de ferro, mas esse diagrama fornece relações de equilíbrio, e não o tempo necessário para a transformação. As taxas de aquecimento e resfriamento alteram a resposta real. Diagramas de transformação por aquecimento contínuo e por resfriamento contínuo, juntamente com diagramas de transformação tempo–temperatura, mostram quando a austenita se forma e quando se decompõe em ferrita, perlita, bainita ou outros produtos. O tratamento de 2024 da ASM International sobre tratamento térmico de aços coloca especificamente o recozimento, a austenitização, os diagramas de transformação, a dureza e o controle das tensões residuais dentro da mesma estrutura de processo.

Recozimento pleno e ciclos de amolecimento relacionados

O recozimento pleno geralmente consiste em aquecer o aço até a região da austenita, mantê-lo nessa condição por tempo suficiente para que a seção atinja um estado adequado e resfriá-lo lentamente no forno. Para um aço hipoeutetoide, a temperatura de austenitização normalmente fica acima da temperatura crítica superior, Ac3, de modo que a ferrita e a perlita originais se dissolvam suficientemente para formar austenita. Para um aço hipereutetoide, o ciclo geralmente é selecionado acima de Ac1, mas abaixo de Acm, deixando uma certa quantidade de cementita pró-eutetoide em vez de dissolver todos os carbonetos. A prática exata varia conforme a qualidade do aço e o tamanho da seção.

Durante o resfriamento lento no forno, a austenita se transforma em condições relativamente próximas do equilíbrio. Composições hipoeutetoides produzem ferrita pró-eutetoide seguida de perlita; o aço eutetoide transforma-se principalmente em perlita; o aço hipereutetoide forma perlita com cementita pró-eutetoide. A estrutura resultante geralmente é mais macia e mais grosseira que a estrutura produzida pelo resfriamento ao ar. A perlita mais grosseira tem maior espaçamento interlamelar, o que reduz a resistência ao corte e à deformação, mas também diminui a resistência mecânica e a dureza.

O objetivo frequentemente é o amolecimento antes da usinagem ou da conformação a frio. O recozimento pleno pode reduzir as forças de corte, diminuir o desgaste das ferramentas e tornar a dureza mais uniforme em um forjamento ou fundição de grandes dimensões. Também pode substituir uma estrutura fundida não uniforme ou uma estrutura anterior superaquecida por uma disposição mais previsível de ferrita e perlita. No entanto, não remove automaticamente todos os defeitos: segregação, crescimento excessivo de grãos, descarbonetação e redes de carbonetos podem permanecer ou tornar-se mais aparentes se a temperatura e o tempo de permanência forem mal controlados.

Uma seção espessa torna o resultado mais complexo. Sua superfície acompanha a temperatura do forno mais rapidamente que o núcleo, enquanto o núcleo resfria mais lentamente e pode transformar-se a uma temperatura diferente. Assim, a parte externa pode conter perlita mais fina que o centro ou apresentar uma formação de ferrita diferente, mesmo quando o ciclo do forno é registrado corretamente. A medição da temperatura deve representar a peça, e não apenas a atmosfera do forno.

A esferoidização é outro ciclo de amolecimento, particularmente importante para aços de alto carbono e aços-ferramenta que precisam ser usinados antes do endurecimento. A permanência prolongada logo abaixo de Ac1, ou o aquecimento repetido através de Ac1 seguido de resfriamento lento, favorece a formação de partículas arredondadas de cementita em uma matriz ferrítica. Os carbonetos esferoidizados geralmente tornam o aço de alto carbono mais fácil de usinar que uma estrutura de perlita lamelar fina e proporcionam uma condição inicial útil para a austenitização subsequente. O ciclo pode ser demorado porque a cementita precisa mudar de forma por difusão; uma permanência curta no forno não produz o mesmo resultado.

O recozimento isotérmico oferece um controle mais preciso que o resfriamento comum no forno. O aço é resfriado a partir da faixa de austenitização até uma temperatura selecionada na faixa de transformação da perlita, mantido nessa temperatura até que a transformação esteja substancialmente completa e, em seguida, resfriado até a temperatura ambiente. A permanência pode produzir uma estrutura mais uniforme e encurtar o ciclo total para algumas qualidades de aço, mas exige equipamentos controlados e um cronograma de transformação específico para a composição.

Recozimento de processo e alívio de tensões

O recozimento de processo é geralmente um tratamento subcrítico aplicado a aços de baixo carbono ou baixa liga após a conformação a frio. O material é aquecido abaixo de Ac1, frequentemente em uma faixa selecionada para permitir a recristalização sem formar austenita, e então mantido e resfriado a uma taxa controlada. Novos grãos de ferrita, relativamente livres de deformação, substituem os grãos alongados e distorcidos produzidos por laminação, trefilação, dobramento ou prensagem. A dureza diminui, a ductilidade é recuperada e o aço se torna mais apto a passar por outra operação de conformação.

A temperatura deve ser suficientemente alta para permitir a recristalização, mas não tão alta a ponto de provocar crescimento indesejado dos grãos. A redução anterior é importante: o aço intensamente trabalhado a frio possui mais energia armazenada e pode recristalizar mais prontamente que um material levemente deformado. O teor de carbono e os elementos de liga também afetam a cinética de recristalização. Um ciclo adequado para uma chapa de baixo carbono não pode ser transferido diretamente para uma qualidade de aço de maior teor de carbono ou ligada.

O recozimento para alívio de tensões trata de um problema diferente. As tensões residuais surgem de soldagem, usinagem, resfriamento desigual, fundição, conformação ou aquecimento localizado. Uma permanência subcrítica permite difusão limitada e acomodação plástica, reduzindo as tensões sem transformar deliberadamente a matriz. O tratamento pode reduzir a distorção durante a usinagem posterior e diminuir o risco de trincas ou movimentações dimensionais, mas não faz com que as tensões residuais desapareçam de maneira uniforme. Geometrias com cantos vivos, restrição da solda, gradientes de temperatura e espessuras de seção desiguais continuam sendo importantes.

O alívio de tensões após a soldagem exige atenção ao metal de solda, à zona afetada pelo calor, ao metal de base e às restrições do componente. A ISO 17663:2023 estabelece requisitos de qualidade para o tratamento térmico em ar ou em atmosferas controladas, em oficinas ou no local, principalmente para aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados. Sua relevância é prática: a calibração do forno, o posicionamento dos termopares, as taxas de aquecimento e resfriamento, as condições de apoio e os registros podem afetar o resultado tanto quanto a temperatura nominal.

Normalização e refino de grãos

Normalização geralmente significa aquecer o aço até a região da austenita, mantê-lo pelo tempo necessário à transformação e resfriá-lo ao ar parado, em vez de dentro de um forno. O resfriamento ao ar é mais rápido que o resfriamento no forno; por isso, a austenita se transforma a uma temperatura mais baixa e produz ferrita e perlita mais finas em muitos aços-carbono e aços de baixa liga. A condição normalizada é comumente mais resistente e mais dura que a condição plenamente recozida, mantendo ainda uma ductilidade útil.

A palavra “refino” precisa ser qualificada. A normalização pode refinar grãos grosseiros produzidos por forjamento, fundição, ciclos térmicos de soldagem ou aquecimento excessivo, mas não pode corrigir todas as formas de segregação nem eliminar uma rede contínua de carbonetos. O refino dos grãos depende do tamanho dos grãos de austenita estabelecido durante o aquecimento. Temperatura ou tempo de permanência excessivos podem provocar o crescimento dos grãos de austenita antes do resfriamento ao ar, comprometendo o resultado pretendido.

O teor de carbono altera tanto a temperatura de transformação quanto as proporções finais. O aumento do teor de carbono geralmente eleva a fração de perlita até a composição eutetoide e aumenta a dureza após a normalização. Uma qualidade de aço de baixo carbono pode permanecer predominantemente ferrítica, com relativamente pouca perlita; uma qualidade de médio carbono desenvolve mais perlita e maior resistência; uma qualidade hipereutetoide pode formar perlita mais cementita pró-eutetoide. Os elementos de liga podem retardar a transformação e alterar o equilíbrio entre ferrita e perlita; assim, alguns aços podem formar bainita ou outros produtos durante o resfriamento ao ar se a seção for fina ou se a taxa de resfriamento for suficientemente alta.

O tamanho da seção pode inverter essa situação. Uma peça fina perde calor rapidamente e pode ser normalizada até uma estrutura mais fina, enquanto o núcleo de uma seção pesada resfria lentamente e pode aproximar-se de uma condição recozida. A geometria, o contato com dispositivos de fixação, o carregamento do forno e a movimentação do ar acrescentam outras variações. Portanto, a normalização é uma prática de resfriamento definida, e não simplesmente um rótulo para qualquer aço resfriado fora de um forno. A ISO 683-1:2016 reconhece aços não ligados fornecidos em várias condições de tratamento térmico, incluindo, em alguns casos, condições normalizadas; a qualidade especificada e a condição de fornecimento continuam determinando a microestrutura e as propriedades aceitáveis.

Têmpera, endurecibilidade e capacidade de endurecimento

[5][5] Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook chapter, 2024.

A têmpera não consiste simplesmente em resfriar rapidamente após o aquecimento. Trata-se de uma tentativa planejada de conduzir um aço austenitizado através de faixas de temperatura com velocidade suficiente para suprimir transformações difusionais, como perlita e ferrita proeutetoide, enquanto se produz martensita ou outra estrutura endurecida especificada. O resultado depende da composição, do tamanho dos grãos de austenita, da geometria da seção, da uniformidade da temperatura, da curva de resfriamento e das tensões geradas durante a transformação. O ASM Handbook Volume 4A aborda essas variáveis juntamente com a austenitização, a dureza, a temperabilidade, a têmpera, o revenimento, a austêmpera, a martêmpera e o endurecimento superficial (ASM International, 2024).

Têmpera e transformação martensítica

Antes da têmpera, o aço é aquecido até condições de formação de austenita. Para aços hipoeutetoides, isso normalmente significa aquecer acima da temperatura crítica superior, de modo que a ferrita e a perlita se dissolvam suficientemente na austenita. Em um aço eutetoide, a mistura perlítica deve se transformar em austenita; em um aço hipereutetoide, o tratamento pode reter certa quantidade de cementita proeutetoide, dependendo da temperatura especificada. O tempo de permanência deve permitir que a seção atinja uma condição adequada e razoavelmente uniforme, mas o tempo ou a temperatura excessivos podem aumentar o tamanho dos grãos de austenita, intensificar a oxidação e agravar a distorção.

A austenita pode dissolver uma quantidade de carbono substancialmente maior que a ferrita. Durante o resfriamento lento ou moderado, o carbono tem tempo para se difundir, permitindo a formação de ferrita, cementita ou perlita. O resfriamento rápido elimina esse tempo. Se a trajetória de resfriamento evitar as regiões de transformação da perlita e da bainita em um diagrama de transformação tempo-temperatura, a austenita atingirá a temperatura de início da formação de martensita, Ms. A martensita então se forma por uma transformação de cisalhamento sem difusão, enquanto o carbono permanece retido em uma estrutura tetragonal de corpo centrado supersaturada. O resfriamento adicional produz mais martensita até que se aproxime a temperatura de fim da formação de martensita, Mf.

A martensita aumenta a dureza porque sua rede cristalina distorcida dificulta o movimento das discordâncias. O teor de carbono afeta fortemente essa resposta: em geral, um teor mais alto de carbono dissolvido aumenta a dureza da martensita no estado temperado e reduz Ms e Mf. Portanto, um aço pode reter certa quantidade de austenita não transformada após o resfriamento até a temperatura ambiente, especialmente quando o teor de carbono e de elementos de liga é alto ou quando a seção não atinge uma temperatura suficientemente baixa. A austenita retida pode se transformar posteriormente durante o uso, a usinagem, o tratamento subzero ou o revenimento, alterando as dimensões e as tensões.

O centro de uma peça grande resfria mais lentamente que sua superfície. Essa diferença pode permitir a formação de perlita ou bainita no interior, mesmo quando a superfície se torna martensítica. A têmpera também cria gradientes térmicos: a superfície se contrai primeiro, enquanto o núcleo quente resiste a essa contração. A deformação de transformação acrescenta outra fonte de tensão, pois a transformação de austenita em martensita envolve um aumento de volume. A trinca é o resultado extremo, mas a distorção, a tensão residual e a alteração dimensional são mais comuns. Portanto, a estrutura desejada deve ser avaliada ao longo de toda a seção, e não apenas a partir de uma leitura de dureza superficial.

O revenimento normalmente sucede a têmpera. Ele reduz as tensões de têmpera e transforma a martensita supersaturada em martensita revenida por meio de reações controladas de precipitação e recuperação. A temperatura e o tempo de revenimento selecionados determinam o equilíbrio entre dureza, resistência, tenacidade e estabilidade dimensional. Uma peça temperada que não é revenida pode apresentar alta dureza, mas baixa resistência à trinca ou ao impacto.

Dureza versus temperabilidade

A dureza é uma resistência medida à deformação localizada. Os ensaios Rockwell C, Vickers e Brinell indicam o que ocorre em um determinado local de ensaio, sob uma carga, um penetrador e um procedimento definidos. Um valor de dureza superficial não informa até que profundidade a peça endureceu, se o núcleo é martensítico ou se o resultado foi obtido por têmpera, cementação, endurecimento por indução ou outro tratamento.

A temperabilidade é diferente. Trata-se da capacidade de uma seção de aço desenvolver uma estrutura endurecida ao longo de sua profundidade sob condições especificadas de austenitização e têmpera. Ela descreve a resposta à transformação, e não um único valor de dureza. Dois aços podem atingir durezas superficiais máximas semelhantes quando totalmente martensíticos e, ainda assim, diferir muito quanto à profundidade em que essa dureza é mantida. O carbono determina em grande medida a dureza máxima da martensita; elementos de liga como manganês, cromo, molibdênio e níquel geralmente retardam as transformações difusionais e aumentam a temperabilidade. O boro pode exercer um efeito significativo em adições muito pequenas e controladas, quando permanece eficaz nos contornos de grão da austenita.

Ensaio de têmpera final JominyEnsaio de têmpera final Jominy Ensaio padronizado no qual uma extremidade de um corpo de prova austenitizado é temperada em água e a dureza é medida a várias distâncias da extremidade temperada para caracterizar a temperabilidade.

O ensaio de têmpera na extremidade Jominy expressa a temperabilidade como um perfil de dureza ao longo de um corpo de prova padronizado. A água incide sobre uma extremidade, criando uma faixa de velocidades de resfriamento ao longo de seu comprimento. A dureza medida em distâncias fixas revela até que profundidade o aço pode formar martensita sob aquela condição de ensaio. A curva não constitui uma garantia direta para todos os componentes. Uma engrenagem espessa, uma chapa fina e uma peça fundida complexa apresentam históricos térmicos diferentes, mesmo quando fabricadas com a mesma corrida de aço.

O tamanho da seção é decisivo, pois o calor deve se deslocar do interior até a superfície de resfriamento. Um diâmetro pequeno pode resfriar rapidamente em toda a sua extensão, enquanto uma seção pesada pode desenvolver martensita apenas próxima à superfície externa. A geometria torna a situação ainda mais complexa: furos, cantos vivos, rasgos de chaveta, nervuras finas e transições abruptas de espessura concentram o fluxo de calor e as tensões. O tamanho dos grãos de austenita também afeta a temperabilidade. Grãos mais grosseiros oferecem menos sítios de nucleação para ferrita e perlita, frequentemente retardando essas transformações, mas o crescimento excessivo dos grãos reduz a tenacidade e pode aumentar a distorção ou a formação de trincas.

A temperabilidade não deve ser confundida com “dureza após qualquer têmpera”. Um aço de alto carbono pode ser muito duro na superfície e, ainda assim, apresentar profundidade de endurecimento limitada. Por outro lado, um aço-liga de médio carbono pode ter menor dureza martensítica máxima, mas desenvolver essa estrutura mais profundamente em uma seção grande. A especificação do tratamento deve indicar o grau do aço, a temperatura de austenitização, as condições de permanência, o meio de têmpera, a agitação, a geometria da peça e os locais de aceitação.

Meios de resfriamento e severidade

Água, salmoura, óleo, soluções poliméricas, gás e resfriamento interrompido são categorias de práticas de resfriamento, e não receitas intercambiáveis. Seu desempenho depende da temperatura, da concentração, da agitação, da contaminação, do volume do banho, do carregamento das peças e da condição da superfície. Mesmo o mesmo meio de têmpera nominal pode produzir curvas de resfriamento diferentes em equipamentos distintos.

A água normalmente proporciona um resfriamento intenso na faixa de alta temperatura, mas a formação de um filme de vapor pode isolar temporariamente uma superfície quente. Quando a camada de vapor colapsa, o resfriamento pode se tornar severo e desigual. A salmoura reduz a persistência do filme de vapor e pode resfriar de forma mais agressiva, aumentando o risco de distorção e trincas. Esses meios podem ser inadequados para formas complexas ou para aços de alta temperabilidade quando uma têmpera menos severa pode produzir a estrutura necessária.

O óleo geralmente resfria de maneira menos violenta que a água ou a salmoura e pode reduzir o choque térmico, embora o tipo de óleo, a temperatura, a agitação, a oxidação e a contaminação alterem seu comportamento. As soluções poliméricas abrangem uma faixa ampla: a concentração e a circulação podem ser ajustadas para modificar a severidade do resfriamento, mas é necessário controle, pois a variação da concentração altera o processo. A têmpera em gás, inclusive em gás inerte pressurizado, pode proporcionar um resfriamento mais limpo e uniforme; contudo, sua severidade pode ser insuficiente para uma seção grande ou para um aço de baixa temperabilidade.

A severidade do resfriamento diz respeito à relação entre o meio de têmpera e a superfície da peça, e não apenas ao nome do meio. A agitação rompe os filmes de vapor e renova o fluido mais frio junto à superfície. Uma agitação excessiva ou desigual pode produzir dureza não uniforme e distorção. Um meio de têmpera em más condições pode conter água, polímero degradado, lodo ou quantidade excessiva de produtos de oxidação; sua curva de resfriamento então se afasta do processo qualificado.

O resfriamento interrompido altera deliberadamente a trajetória. Na martêmpera, a peça é resfriada rapidamente até uma temperatura acima de Ms ou próxima dela, mantida por tempo suficiente para equalizar a temperatura sem permitir uma formação significativa de bainita ou perlita e, em seguida, resfriada através da faixa de formação de martensita. Isso reduz a diferença entre as temperaturas da superfície e do núcleo e pode diminuir a distorção, mas não elimina a tensão de transformação. Na austêmpera, por sua vez, o aço austenitizado é transferido para um banho no qual a bainita se forma isotermicamente, produzindo uma estrutura endurecida especificada sem exigir a têmpera martensítica convencional.

O tratamento de 2024 da ASM sobre diagramas de transformação e controle das tensões residuais deixa claro o ponto central: a têmpera deve ser projetada com base no comportamento do aço durante o resfriamento contínuo e no histórico térmico da peça. A ISO 683-1:2016 abrange aços sem liga destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e a algumas condições normalizadas. Para componentes de aço ferrítico soldados ou conformados, a ISO 17663:2023 insere o tratamento térmico em um processo controlado pela qualidade, que pode ocorrer em uma oficina ou no local. Nenhuma das duas normas torna universalmente adequado um único meio de resfriamento. A escolha correta é aquela que produz a estrutura e as propriedades necessárias, mantendo a variação de dureza, a distorção, a tensão residual e a formação de trincas dentro dos limites especificados.

Revenimento e controle do aço temperado

Por que a martensita no estado temperado raramente é a condição final

A têmpera pode produzir martensita, mas a martensita é uma condição criada pela supressão da difusão, e não um estado final estável para a maioria dos componentes de engenharia. Durante a têmpera, a austenita se transforma em uma estrutura tetragonal de corpo centrado, supersaturada e distorcida, na qual o carbono tem pouco tempo para se redistribuir. O resultado pode ser dureza e resistência muito elevadas, mas também tensão residual substancial, baixa ductilidade, baixa resistência à fratura e instabilidade dimensional.

O problema não é simplesmente o fato de o aço ser “duro demais”. Diferentes regiões de um componente resfriam a taxas diferentes. A superfície pode se transformar antes do núcleo, enquanto cantos e furos impõem restrições locais. A contração térmica, a deformação de transformação, a austenita retida e a variação de volume associada à formação de martensita podem combinar-se e produzir tensões de tração, distorção ou trincas de têmpera. Uma seção espessa também pode conter uma mistura de martensita, bainita, perlita e austenita retida, em vez de uma estrutura única e uniforme. O teor de carbono, as adições de elementos de liga, a temperabilidade, o tamanho da seção, o meio de têmpera, a agitação e a geometria influenciam esse resultado.[6][6] Steel and Its Heat Treatment. Elsevier. Technical reference, 1984.

O revenimento é o reaquecimento controlado do aço temperado a uma temperatura abaixo da faixa de transformação pertinente, geralmente abaixo da temperatura na qual se formaria nova austenita. O aço é mantido nessa temperatura por tempo suficiente para que ocorram reações selecionadas de difusão e precipitação e, em seguida, é resfriado sob condições controladas. Esse tratamento reduz a fragilidade e a tensão residual, ao mesmo tempo que ajusta a dureza, a resistência à tração, a tenacidade, a resistência ao desgaste e a estabilidade dimensional.

Conforme explica a ASM International em seu material de 2024 sobre tratamento térmico, o revenimento do aço deve ser considerado em conjunto com a austenitização, os diagramas de transformação, a dureza e a temperabilidade, a têmpera, a distorção e o controle das tensões residuais. Essa relação é importante. O revenimento não pode corrigir uma prática inadequada de austenitização nem uma têmpera descontrolada; ele modifica a estrutura criada pelas etapas anteriores.

Reações de revenimento e equilíbrio de propriedades

O revenimento começa com a redistribuição do carbono retido na martensita. No estágio inicial, o carbono se desloca por curtas distâncias e pode formar carbonetos de transição, enquanto a distorção tetragonal da martensita diminui. A matriz se torna menos supersaturada, e parte da tensão associada à rede no estado temperado é aliviada. Isso pode produzir uma redução moderada da dureza, ao mesmo tempo que melhora a resistência à formação de trincas.

Com o prosseguimento do revenimento, as estruturas de transição dão lugar a arranjos de carbonetos mais estáveis. Nos aços-carbono comuns, a cementita se torna o principal carboneto, desenvolvendo-se em uma matriz ferrítica à medida que a estrutura martensítica perde sua supersaturação extrema. Nos aços-liga, cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio ou outros elementos formadores de carbonetos podem alterar as reações de precipitação e produzir carbonetos de liga sob históricos térmicos adequados. Essas reações não são instantâneas. A temperatura determina quais reações são possíveis e com que rapidez elas ocorrem; o tempo determina até que ponto elas avançam.

O equilíbrio de propriedades depende, portanto, do histórico completo de tempo e temperatura, e não apenas de um ajuste nominal do forno. Temperaturas de revenimento mais elevadas geralmente aceleram a redistribuição do carbono e o crescimento dos carbonetos, provocando uma redução maior da dureza e da resistência, mas frequentemente um aumento útil da tenacidade e da ductilidade. Temperaturas mais baixas preservam mais dureza, mas aliviam menos tensão e deixam uma parcela maior da estrutura temperada quimicamente e mecanicamente instável. A resposta efetiva depende do teor de carbono, do teor de elementos de liga, do tamanho de grão da austenita anterior, da morfologia da martensita, da austenita retida e do tamanho do componente.

A austenita retida merece atenção especial. Ela pode se transformar durante o revenimento ou posteriormente em serviço, produzindo uma alteração dimensional que é inaceitável em peças de precisão. Um ciclo de revenimento pode ser projetado para reduzir esse risco, mas o resultado depende do grau do aço e da quantidade e estabilidade da austenita retida. Alguns componentes exigem mais de um ciclo de revenimento, com resfriamento entre os ciclos, para que os constituintes recém-transformados recebam um revenimento subsequente. Ciclos repetidos também podem melhorar a estabilidade dimensional quando o primeiro ciclo revela ou induz transformação adicional.

O tempo na temperatura deve ser suficiente para a região mais fria ou menos aquecida da carga, e não apenas para que o indicador do forno alcance o valor programado. Seções espessas, cargas compactadas e peças com grandes diferenças de massa podem desenvolver gradientes de temperatura. A uniformidade do aquecimento é, consequentemente, uma variável metalúrgica. Uma superfície que atinge a temperatura prevista mais cedo pode sofrer sobre-revenimento enquanto o núcleo ainda se aproxima dessa temperatura. A calibração do forno, a disposição da carga, o espaçamento entre as peças, o controle da atmosfera e o monitoramento em locais representativos fazem parte do tratamento, especialmente quando são especificadas resistência ou tolerâncias dimensionais.

A distinção entre equilíbrio e comportamento de transformação continua sendo útil nesse contexto. O diagrama ferro–carboneto de ferro indica as relações de fases em equilíbrio, enquanto o revenimento depende de reações cinéticas que ocorrem durante um ciclo térmico finito. A discussão da ASM de 2024 sobre o tratamento térmico dos aços separa esses conceitos de equilíbrio do comportamento de transformação em função do tempo e da temperatura e do comportamento sob aquecimento contínuo ou resfriamento contínuo. O revenimento é outro processo cinético: dois ciclos que atinjam a mesma temperatura nominal podem produzir estruturas diferentes se suas taxas de aquecimento, tempos de manutenção, taxas de resfriamento ou condições anteriores de têmpera forem diferentes.

A ISO 683-1:2016 aborda os requisitos técnicos de fornecimento para aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, entre outras condições. Para componentes de aço ferrítico soldados ou conformados, a ISO 17663:2023 insere o tratamento térmico em uma estrutura de controle da qualidade que abrange trabalhos realizados em oficinas ou no local, ao ar ou em atmosferas controladas. Nenhuma das normas torna um único ciclo de revenimento adequado para todos os graus de aço ou geometrias. O aço especificado, a forma do produto, o tamanho da seção e as propriedades exigidas continuam determinando o procedimento.

Fragilização por revenimento e controle da temperatura

A fragilização por revenimento é um modo de falha reconhecido, e não uma simples perda incidental de dureza. A referência técnica Steel and Its Heat Treatment (Elsevier, 1984) identifica a fragilidade de revenimento como um dos temas centrais do tratamento térmico dos aços. Em aços-liga suscetíveis, a fragilização pode se desenvolver após a exposição a determinados históricos de revenimento e resfriamento, especialmente quando elementos de impureza segregam para os contornos de grão da austenita anterior. Fósforo, estanho, antimônio e arsênio são comumente associados a esse mecanismo, enquanto a composição da liga e o processamento anterior afetam a suscetibilidade.

O perigo consiste em uma redução da tenacidade ao impacto sem uma alteração proporcional nas propriedades convencionais de tração. Uma peça pode manter uma dureza aparentemente aceitável e, ainda assim, tornar-se mais propensa à fratura intergranular sob impacto ou em temperaturas de serviço mais baixas. A faixa de temperatura e a intensidade do fenômeno não são valores universais: dependem da composição química do aço, da segregação, da estrutura dos grãos de austenita, do tempo de manutenção e da prática de resfriamento. Uma prescrição desvinculada do grau do aço e da especificação pode, portanto, induzir ao erro.

O controle pode envolver a seleção de uma composição menos suscetível, a limitação de elementos residuais nocivos, a prevenção de exposições inadequadas e a aplicação da prática de resfriamento especificada após o revenimento. Em alguns aços-liga, é necessário um resfriamento rápido através da região suscetível após o revenimento; em outros, a especificação aplicável pode exigir um procedimento diferente ou a verificação da tenacidade ao impacto. A resposta correta é determinada pela norma do material, pela função do componente e pelos requisitos de ensaio.

A medição da temperatura deve representar o aço, e não apenas a atmosfera do forno. A posição dos termopares, os levantamentos de uniformidade do forno, o tamanho da carga e o tempo de transferência influenciam o ciclo efetivo. Uma transferência demorada ou um resfriamento desigual pode alterar a precipitação de carbonetos e o risco de fragilização, mesmo quando o valor programado registrado parece correto. O revenimento é, portanto, um problema de controle: a composição estabelece as reações possíveis, a têmpera estabelece a estrutura inicial e o percurso subsequente de tempo e temperatura determina o equilíbrio entre dureza, tenacidade, alívio de tensões e estabilidade.

Austêmpera e Martêmpera

A austêmpera e a martêmpera são alternativas controladas à têmpera direta seguida de revenimento. Nenhuma delas consiste simplesmente em escolher um banho diferente. Cada uma impõe à austenita uma trajetória distinta de tempo–temperatura, e o resultado depende de o aço conseguir evitar a perlita, atingir a faixa de transformação necessária e permanecer suficientemente uniforme ao longo da seção. O teor de carbono, os elementos de liga, o tamanho de grão da austenita prévia, a geometria e a capacidade do banho influenciam esse resultado.

A distinção é fundamental. A austêmpera busca transformar isotermicamente a austenita em bainita antes que a peça seja resfriada até a temperatura ambiente. A martêmpera interrompe a têmpera próxima à temperatura de início da formação da martensita, permitindo que as diferenças de temperatura diminuam antes da formação da martensita; a transformação martensítica ocorre então durante o resfriamento subsequente, seguida de revenimento. O ASM Handbook Volume 4A, publicado pela ASM International em 2024, aborda ambas como processos distintos dentro do estudo mais amplo de austenitização, temperabilidade, têmpera, revenimento e controle das tensões residuais.

Rotas de transformação isotérmica

Na austêmpera, o aço é inicialmente aquecido acima de sua faixa crítica para produzir austenita. Em seguida, é transferido rapidamente para um banho mantido acima da temperatura de início da formação da martensita, $M_s$, mas abaixo da faixa de transformação da perlita. A temperatura do banho é normalmente selecionada entre aproximadamente 250 e 400 °C, embora o intervalo útil varie substancialmente conforme o grau do aço e a morfologia de bainita necessária. A peça permanece nessa temperatura até que a fração pretendida de austenita tenha se transformado em bainita, após o que é resfriada até a temperatura ambiente.

Essa rota evita a passagem direta pela região da perlita e, quando a transformação é concluída, evita a formação de martensita nova durante o resfriamento final. A bainita é constituída por regiões ferríticas formadas por um componente deslocativo da transformação, juntamente com a austenita retida enriquecida em carbono ou com carboneto, dependendo da temperatura, da composição e da terminologia aplicada à estrutura. A bainita superior geralmente se forma em temperaturas de austêmpera mais elevadas; a bainita inferior se forma em temperaturas mais baixas e normalmente contém ferrita mais fina e carboneto distribuído de maneira mais refinada.

Um diagrama TTT faz o processo parecer simples: contornar o nariz, entrar no campo da bainita, manter até o fim da transformação e resfriar. A produção real é menos tolerante. O tempo de transferência necessário deve ser menor que o tempo disponível antes do início da formação da perlita, enquanto o banho deve extrair calor com rapidez suficiente para levar toda a seção a uma temperatura quase uniforme. Um dente espesso de engrenagem, uma mola ou um componente de rolamento pode ter uma superfície já em transformação enquanto o núcleo ainda está resfriando em direção à temperatura do banho. Se o núcleo não completar a mesma rota, a estrutura final se torna mista.

A austêmpera, portanto, depende fortemente da temperabilidade e do tamanho da seção. Elementos de liga como manganês, cromo, molibdênio e níquel geralmente retardam as transformações difusionais, deslocando as reações da perlita e da bainita para tempos mais longos, mas também alteram $M_s$, a cinética da bainita, a estabilidade da austenita retida e a temperatura necessária do banho. Um aço de baixo carbono pode não desenvolver a resistência esperada de um grau de aço austemperado com maior teor de carbono, enquanto um teor excessivo de carbono ou de elementos de liga pode prolongar o tempo de transformação ou deixar austenita retida após o resfriamento.

A martêmpera também começa com a austenitização, mas seu objetivo é diferente. A peça austenitizada é temperada em um banho mantido logo acima de $M_s$, frequentemente em uma faixa selecionada para o grau específico, e não com base em uma temperatura universal fixa. Ela permanece no banho tempo suficiente para que a superfície e o núcleo se aproximem de uma temperatura semelhante, mas não por tempo suficiente para que ocorra uma formação significativa de bainita ou perlita. Em seguida, a peça é resfriada através da faixa de formação da martensita, normalmente ao ar ou em outro meio controlado, e revenida.

O banho equaliza a temperatura; normalmente, ele não conclui uma transformação isotérmica. A martensita se forma posteriormente ao longo de uma faixa de temperaturas, de modo que a martêmpera continua sendo uma rota de endurecimento martensítico. A etapa subsequente de revenimento reduz a fragilidade e ajusta a dureza, a tenacidade e a estabilidade dimensional. A omissão dessa etapa de revenimento pode deixar tensões residuais elevadas e um risco inaceitável de trincas, especialmente em aços com maior teor de carbono.

Considerações sobre distorção e trincas

Uma têmpera direta cria duas fontes principais de tensão. A tensão térmica se desenvolve porque a superfície resfria e se contrai antes do interior. A tensão de transformação se desenvolve porque a austenita se transforma em produtos com diferentes volumes específicos, especialmente quando a martensita se forma em momentos distintos ao longo da seção. A geometria amplifica ambos os efeitos: cantos vivos, almas finas unidas a cubos espessos, rasgos de chaveta, furos e mudanças abruptas de espessura concentram deformação.

A austêmpera reduz o gradiente térmico após a transferência porque a peça é levada a uma temperatura de banho relativamente uniforme antes do desenvolvimento da bainita. A transformação bainítica também ocorre em um intervalo mais restrito e controlado do que em uma têmpera severa, iniciada na superfície, até a formação de martensita. Consequentemente, a distorção e as trincas podem ser menores, mas não são eliminadas. Agitação desigual, transferência retardada, variação da temperatura do banho ou transformação incompleta podem produzir estruturas diferentes em regiões distintas. Bainita, austenita retida, martensita e perlita podem coexistir, cada uma carregando um histórico dimensional e de tensões diferente.

A martêmpera aborda o mesmo problema separando o resfriamento rápido da transformação martensítica. A equalização da temperatura antes da passagem por $M_s$ reduz a diferença entre a superfície e o núcleo quando começa a grande variação de volume da martensita. O processo pode reduzir as trincas de têmpera e a variação dimensional em relação à têmpera direta, especialmente em geometrias complexas. Ele não consegue evitar toda a distorção, porque a martensita ainda se forma e sua transformação não é perfeitamente uniforme. Trabalho a frio prévio, austenita não uniforme, descarbonetação, tensões residuais de forjamento e geometria assimétrica continuam sendo causas ativas.

O controle do processo deve abranger mais do que o ponto de ajuste do forno. A temperatura e o tempo de permanência na austenitização controlam o crescimento de grão e a distribuição do carbono. O tempo de transferência determina se a peça alcançará o banho pretendido antes do início da formação da perlita ou de uma transformação superficial indesejada. A temperatura do banho, a circulação, a contaminação, a densidade de carga e a condição do sal ou do óleo afetam a extração de calor. Os sensores de temperatura devem representar a peça, e não apenas o forno ou o banho. A ISO 17663:2023 estabelece requisitos de qualidade para o tratamento térmico ao ar ou em atmosferas controladas, incluindo trabalhos em oficina e em campo em aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados; sua ênfase no controle de procedimentos é diretamente relevante quando as tensões residuais e a precisão dimensional são importantes.

Quando as estruturas bainíticas ou de têmpera interrompida são importantes

A austêmpera é considerada quando uma combinação especificada de resistência, tenacidade, desempenho em fadiga, resistência ao desgaste e controle dimensional é mais importante do que atingir a dureza máxima no estado temperado. O ferro fundido nodular austemperado é um sistema de materiais distinto, mas, nos aços, essa rota pode ser aplicada a molas, engrenagens, pinos, presilhas e componentes de desgaste adequados, quando o grau do aço e a seção permitirem a transformação bainítica completa. A estrutura-alvo deve ser especificada com precisão. “Bainita”, por si só, não identifica bainita superior ou inferior, o teor de austenita retida, a condição dos carbonetos ou a dureza.

A martêmpera é mais apropriada quando se exige uma estrutura martensítica, mas a têmpera direta produz distorção ou trincas inaceitáveis. Ela depende particularmente da espessura da seção e da temperabilidade: uma seção grande pode resfriar lentamente demais no núcleo, permitindo a formação de perlita ou bainita antes que a rota martensítica seja estabelecida. Uma seção pequena pode resfriar tão rapidamente que a vantagem da equalização seja limitada. O banho também deve ter capacidade e circulação suficientes para manter sua temperatura sob carga.

Nenhum dos dois tratamentos é universalmente adequado. Os diagramas TTT e CCT do aço exato, e não um diagrama genérico de ferro–carbono, determinam se a rota é viável. A ASTM International identifica ferrita, austenita, cementita, perlita, martensita e bainita como fases centrais no tratamento térmico dos aços, enquanto a discussão da ASM de 2024 sobre diagramas de transformação relaciona essas fases ao tempo e à taxa de resfriamento. A ISO 683-1:2016 inclui explicitamente aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e a determinadas condições normalizadas, mas a designação nessa norma não elimina a necessidade de verificar a cinética, os limites do equipamento e os requisitos de inspeção do componente real.

Endurecimento Superficial e Projeto das Propriedades da Camada

O endurecimento superficial não é simplesmente um método para tornar “dura” a parte externa de um componente de aço. É uma forma de atribuir propriedades diferentes a diferentes regiões do mesmo componente. A superfície pode ser transformada em martensita de alto teor de carbono ou em outra estrutura dura, enquanto o núcleo permanece mais tenaz, mais macio ou já revenido. O objetivo do projeto é, portanto, obter um perfil de propriedades ao longo da seção, e não um único valor de dureza.

O ASM Handbook Volume 4A aborda o endurecimento por chama e o endurecimento por indução dentro do grupo mais amplo dos processos de endurecimento superficial de aços. A ISO 683-1:2016 também identifica aços destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas. Esses processos dependem da mesma sequência metalúrgica do endurecimento convencional: a região selecionada é aquecida até a faixa da austenita, mantida nessa faixa pelo tempo necessário à transformação requerida e resfriada rapidamente o suficiente para suprimir a formação de ferrita, perlita ou bainita. O resultado depende da composição, da estrutura inicial, do histórico de temperatura e das condições de resfriamento.

Endurecimento por chama e por indução

O endurecimento por chama utiliza uma chama de gás combustível para aquecer localmente uma superfície, seguida de têmpera com água, solução polimérica ou outro meio controlado. A chama pode ser deslocada sobre uma face plana, dente, munhão, trilho, came ou outra região com formato específico. Seu padrão de aquecimento é determinado pelo projeto do queimador, pela distância entre a chama e a superfície, pelo fluxo de gás, pela velocidade de deslocamento, pela geometria do componente e pela condutividade térmica do aço. Uma varredura mais lenta ou uma entrada de calor maior geralmente aumenta a profundidade austenitizada, mas uma entrada excessiva pode causar crescimento de grão, fusão, descarbonetação ou distorção excessiva.

O endurecimento por indução gera calor por meio de um campo eletromagnético alternado. A corrente elétrica induzida nas proximidades da superfície produz aquecimento, cuja distribuição é fortemente controlada pela frequência. Frequências mais altas concentram o aquecimento próximo à superfície; frequências mais baixas permitem que a penetração eletromagnética e a difusão térmica alcancem maior profundidade. A frequência, por si só, não especifica a profundidade da camada endurecida. A potência, o acoplamento entre a bobina e o componente, o tempo de aquecimento, a velocidade de varredura, o formato da bobina, a distribuição de corrente e o atraso da têmpera alteram o campo de temperatura. Um componente com formato de dente, por exemplo, pode aquecer de maneira desigual porque as pontas, as raízes, os ressaltos e as seções finas perdem calor em velocidades diferentes.

O padrão de aquecimento deve ser projetado em função da geometria, e não imposto a ela. Um canto vivo pode ficar mais quente que uma face larga adjacente porque há menos volume para o qual o calor possa se difundir. Um furo pode permanecer relativamente frio enquanto um diâmetro externo é austenitizado. A varredura interrompida, passadas de indução sobrepostas ou mudanças abruptas de seção podem criar faixas com dureza e tensão residual diferentes. Consequentemente, a medição da temperatura é difícil: um pirômetro óptico pode indicar a temperatura de um ponto da superfície que não representa a borda mais quente, enquanto um termopar pode perturbar o padrão local de aquecimento.

A microestrutura inicial estabelece as condições de partida para a austenitização. Perlita fina, martensita revenida, misturas de ferrita e carbonetos e cementita esferoidizada não se dissolvem em velocidades idênticas. O tamanho e a distribuição dos carbonetos afetam o carbono disponível para a austenita, enquanto os elementos de liga influenciam a cinética de transformação e a temperabilidade. Em um aço de médio teor de carbono, como C45 ou SAE 1045, a camada martensítica obtida é governada principalmente pelo teor de carbono e pela velocidade de resfriamento. Em um aço-liga, como 42CrMo4, correspondente ao grau 4140 da ASTM A29 quando essa designação se aplica, os elementos de liga retardam as transformações difusionais e podem favorecer a formação de martensita em profundidades de resfriamento maiores. A designação do grau não elimina a necessidade de verificar a composição química real e a resposta da seção.

Propriedades da superfície versus propriedades do núcleo

A camada endurecida deve ser especificada como um perfil espacial. A dureza superficial descreve o primeiro local de medição, mas não informa até que profundidade a estrutura endurecida se estende. A profundidade da camada endurecida pode ser definida por um limite metalográfico, por uma dureza crítica ou por um critério de engenharia, como a profundidade efetiva da camada endurecida. Essas definições não são intercambiáveis. Uma leitura superficial de 60 HRC pode coexistir com uma camada rasa, uma transição gradual ou uma queda acentuada de dureza a uma pequena distância abaixo da superfície.

A condição do núcleo é igualmente importante. Um componente pode exigir um núcleo tenaz de martensita revenida, um núcleo normalizado de ferrita-perlita ou uma estrutura mais macia capaz de absorver deformação sem trincar. Se já houver um núcleo de alta resistência, o aquecimento localizado não deve revenir nem superaquecer as regiões adjacentes. Se o núcleo tiver baixa temperabilidade, a têmpera poderá criar uma casca dura sobre um interior relativamente macio. Isso pode ser aceitável para fadiga de contato, mas não para uma peça cuja resistência à flexão dependa de toda a seção.

A zona de transição merece atenção específica. Ela contém material que foi submetido a temperaturas de austenitização insuficientes para uma transformação completa ou a velocidades de resfriamento lentas demais para formar uma estrutura totalmente martensítica. Seu gradiente de dureza controla a compatibilidade de deformação entre a camada e o núcleo. Um gradiente acentuado pode concentrar tensões; um gradiente amplo pode reduzir a tensão máxima, mas talvez ofereça menor resistência ao desgaste em profundidade. O revenimento após o endurecimento pode reduzir a fragilidade e estabilizar o perfil de propriedades, embora também reduza a dureza. O ciclo selecionado deve considerar a resposta ao revenimento, a austenita retida, a precipitação de carbonetos e a alteração dimensional.

A dureza superficial, a profundidade efetiva da camada endurecida, o formato da zona de transição, a tensão residual e a distorção devem, portanto, ser avaliados em conjunto. Uma tensão residual compressiva elevada na superfície pode melhorar a resistência à fadiga por flexão, enquanto uma tensão de tração pode favorecer a iniciação de trincas. O sinal e a magnitude dependem da deformação de transformação martensítica, da contração térmica, da geometria da seção, da restrição e do momento da têmpera. O ensaio de dureza, isoladamente, não consegue revelar esse estado de tensões.

Gradientes térmicos e têmpera por auto-resfriamento

O endurecimento localizado funciona porque a camada aquecida e o interior mais frio seguem trajetórias térmicas diferentes. Durante o aquecimento, a superfície se expande enquanto o núcleo a restringe. Durante o resfriamento, a superfície se contrai primeiro e pode se transformar em martensita enquanto o núcleo ainda está quente. A formação de martensita acrescenta expansão de transformação. Essas deformações térmicas e de transformação, que atuam de maneira concorrente, geram tensão residual e podem produzir flexão, ovalização, desvio radial ou trincas.

A têmpera por auto-resfriamento ocorre quando a massa não aquecida do componente extrai calor da camada austenitizada com rapidez suficiente para produzir martensita sem uma têmpera externa separada, ou quando esse dissipador de calor interno auxilia substancialmente uma têmpera superficial. Ela é mais eficaz em seções espessas, com núcleo frio e alta condutividade térmica. Seções finas, projeções estreitas e componentes previamente aquecidos apresentam auto-resfriamento menos intenso. Frequentemente são adicionados jatos externos porque o auto-resfriamento, sozinho, pode não atingir a velocidade de resfriamento exigida em todos os locais.

A velocidade de resfriamento relevante não é uniforme ao longo da camada. A superfície pode resfriar rapidamente pelo contato com o jato, enquanto a interface entre a camada e o núcleo resfria por condução e o núcleo permanece quente. A temperabilidade do aço determina se cada local evita as regiões de ferrita, perlita e bainita mostradas nos diagramas de transformação em resfriamento contínuo. O teor de carbono controla a dureza da martensita; os elementos de liga deslocam o comportamento de transformação; a geometria controla o fluxo de calor.

A qualificação do processo deve mapear a peça real, e não apenas um corpo de prova. Seções metalográficas, perfis de dureza, inspeção dimensional e medições de tensão residual podem revelar falhas que uma verificação da dureza superficial não detecta. A ISO 17663:2023 enquadra o tratamento térmico realizado em oficinas ou no local dentro de uma estrutura de requisitos da qualidade, principalmente para aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados. Seu escopo reforça um ponto prático: registros de temperatura, controle do equipamento, calibração, prática de resfriamento e inspeção fazem parte da especificação do tratamento. O projeto das propriedades da camada é bem-sucedido quando o ciclo térmico, a microestrutura, o estado de tensões e o resultado dimensional são tratados como um único problema interconectado.

Distorção, Tensão Residual e Trincamento

A distorção não é um pequeno inconveniente dimensional acrescentado a um tratamento térmico que, de resto, foi bem-sucedido. Ela é um dos principais resultados que devem ser previstos e controlados. O capítulo de 2024 da ASM International, “Princípios Básicos e Diretrizes de Projeto para Tratamento Térmico”, aborda a distorção e a tensão residual juntamente com as transformações de fase, e não como aspectos secundários da têmpera. Essa ênfase é justificada: um componente pode atender ao requisito de dureza e ainda assim falhar porque se curva, altera o diâmetro, perde a planicidade ou contém tensões de tração que posteriormente iniciam uma trinca.

É necessário separar três condições relacionadas, mas diferentes. Distorção é uma alteração visível ou mensurável da forma ou das dimensões. Tensão residual é um campo de tensões autoequilibrado que permanece depois que as cargas externas e os gradientes térmicos desaparecem; ela pode existir sem alteração visível da forma. Trincamento de têmpera é uma fratura efetiva, geralmente causada quando as tensões de transformação e térmicas excedem a resistência e a tenacidade locais do aço. Portanto, uma peça pode estar reta, mas altamente tensionada; pode estar distorcida sem apresentar trincas; ou pode estar trincada mesmo quando a alteração dimensional final parece pequena.

Gradientes térmicos e deformação de transformação

Durante o aquecimento, a superfície de um componente de aço geralmente muda de temperatura antes do núcleo. A região mais quente se expande, enquanto o interior mais frio restringe essa expansão. Se a superfície atingir primeiro a faixa de austenitização, sua resposta elástica e plástica será diferente da resposta do núcleo ainda ferrítico ou perlítico. Durante o resfriamento, a sequência se inverte, mas o padrão de tensões não simplesmente se anula, porque a resistência, a expansão térmica e a estabilidade das fases mudam continuamente.

A deformação de transformação acrescenta uma segunda fonte de alteração dimensional. A austenita possui estrutura cristalina e volume específico diferentes dos da ferrita, perlita, bainita e martensita. Quando a austenita se transforma, o componente pode expandir ou contrair, dependendo do produto da transformação e do teor de carbono. A formação de martensita geralmente produz um aumento de volume, mas a magnitude e o momento desse aumento dependem do carbono em solução, do teor de elementos de liga e da taxa local de resfriamento. Uma superfície que atinge a temperatura de início da martensita enquanto o núcleo permanece austenítico pode se expandir contra um núcleo que ainda está se contraindo termicamente. Mais tarde, o núcleo se transforma e altera novamente o equilíbrio de tensões.

O resultado é uma disputa dinâmica entre contração térmica, deformação de transformação e restrição. Uma borda fina pode resfriar e se transformar rapidamente, adquirindo resistência antes que o interior sofra alterações. Um centro espesso pode permanecer quente e relativamente complacente e, depois, transformar-se enquanto a superfície já endurecida resiste ao movimento. A tensão residual de tração na superfície é especialmente perigosa, porque as trincas geralmente começam nessa região, em cantos vivos, inclusões, zonas descarbonetadas, marcas de retificação ou outros concentradores de tensão.

O diagrama ferro–carbono descreve as relações de equilíbrio entre as fases, mas não pode, por si só, prever essa sequência. São necessários diagramas de transformação e históricos reais de resfriamento contínuo. A referência de tratamento da ASM identifica os diagramas de transformação tempo–temperatura e os diagramas de transformação durante aquecimento contínuo e resfriamento contínuo como ferramentas para relacionar o histórico térmico à formação das fases. Assim, a mesma têmpera nominal pode produzir diferentes campos de tensão em um aço-carbono comum, como o C45, e em uma qualidade ligada, como o 42CrMo4, porque a temperabilidade altera o local e o momento em que a martensita se forma.

O trincamento exige mais do que um número elevado de dureza. Ele depende da tensão de tração local, da resistência e da ductilidade do aço em função da temperatura, do momento da transformação, da geometria da seção, da condição superficial e dos defeitos metalúrgicos. Pode ocorrer trincamento retardado após o resfriamento, quando o hidrogênio, a tensão retida e a martensita de alta resistência atuam em conjunto. O revenimento reduz parte das tensões e da fragilidade associadas à martensita após a têmpera, mas não pode recompor o material separado por uma trinca.

Geometria, fixação e acesso do meio de têmpera

A geometria controla tanto o fluxo de calor quanto a restrição mecânica. Eixos longos e esbeltos se curvam mais facilmente do que seções curtas e espessas. Um anel pode sofrer alteração de circularidade ou aumentar de diâmetro. Uma placa com espessura desigual pode adquirir uma forma abaulada ou côncava, porque suas duas faces resfriam em taxas diferentes. Furos, rasgos de chaveta, ranhuras, roscas, ressaltos abruptos e cavidades cegas perturbam o fluxo do fluido e criam diferenças locais na severidade do resfriamento. Um canto interno agudo concentra tensão precisamente onde as deformações térmicas e de transformação mudam mais rapidamente.

O tamanho da seção também determina se a transformação pretendida ocorrerá em toda a espessura. Um aço de baixa liga pode formar martensita próximo à superfície, mas bainita ou perlita em direção ao centro, se o núcleo resfriar muito lentamente. Essa diferença microestrutural cria variações locais de volume, dureza, resistência e resposta subsequente ao revenimento. A alteração dimensional deixa então de ser apenas uma mudança uniforme de escala e passa a ser um problema de forma.

A fixação pode suprimir um movimento enquanto força outro. Prender uma placa plana durante a têmpera pode reduzir a curvatura durante a operação, mas a energia elástica liberada posteriormente pode produzir retorno elástico ou torção. Um mandril pode preservar temporariamente um furo, aumentando, porém, a tensão circunferencial ao seu redor. Apoios que fazem contato em apenas alguns pontos podem deixar regiões sem suporte livres para empenar, enquanto uma restrição excessiva pode elevar o risco de trincamento. As cargas devem ser dispostas de modo que as peças sejam apoiadas sem bloquear a circulação nem impor restrições mecânicas desnecessárias.

O acesso do meio de têmpera deve ser considerado uma questão geométrica, e não apenas uma questão de seleção do banho. Superfícies voltadas umas para as outras, peças encaixadas, furos cegos e cestos muito compactados podem receber menos movimento de fluido do que as superfícies expostas. Mantas de vapor ou bolsas de ar aprisionado podem retardar o resfriamento em locais específicos. A agitação deve ser suficiente para remover o vapor e manter uma condição de resfriamento previsível, mas uma agitação excessiva ou desigual pode ampliar as diferenças entre as orientações. A temperatura do banho, a condição do fluido, o tempo de transferência e o padrão de carregamento são todos importantes.

Alterações de projeto frequentemente reduzem o risco antes mesmo da seleção do ciclo do forno. Raios generosos substituem cantos vivos; as transições de espessura são suavizadas; furos e ranhuras são posicionados para evitar restrições locais severas; e sobremetal de usinagem permite a remoção controlada da distorção pós-tratamento. Nenhuma regra geométrica isolada evita todas as falhas. Um projeto seguro para têmpera em óleo pode se comportar de maneira diferente em água, polímero, sal ou gás.

Controles de processo para a estabilidade dimensional

O controle dimensional começa com um ciclo térmico repetível em toda a carga. Temperatura uniforme do forno, suporte adequado, taxa de aquecimento controlada e tempo de encharque suficiente reduzem as diferenças entre a superfície e o núcleo, embora um encharque prolongado demais possa aumentar o tamanho dos grãos, intensificar a oxidação ou piorar a distorção devido à exposição desnecessária. O controle da atmosfera limita a formação de carepa e a descarbonetação, que, de outro modo, alterariam a dureza superficial e a resposta dimensional.

A transferência do forno para o meio de têmpera deve ser suficientemente rápida para preservar o histórico térmico especificado e consistente de uma carga para outra. A orientação da carga deve expor as superfícies críticas de maneira repetível. A severidade da têmpera deve corresponder à temperabilidade do aço e à microestrutura necessária, em vez de ser selecionada exclusivamente pela taxa máxima de resfriamento. A agitação e a circulação adequadas do fluido são essenciais, mas sua intensidade e direção precisam ser monitoradas, porque um banho nominalmente idêntico pode resfriar faces diferentes em taxas distintas.

O resfriamento escalonado ou interrompido pode reduzir a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo antes da transformação final. A martêmpera, por exemplo, mantém o aço próximo de uma temperatura acima ou em torno da faixa de início da martensita até que as temperaturas se equalizem e, depois, permite que a martensita se forme de maneira mais uniforme. A austêmpera utiliza uma trajetória de transformação diferente, mantendo o aço para formar bainita em vez de resfriá-lo diretamente até a faixa martensítica. Esses métodos podem reduzir a distorção em qualidades de aço e geometrias adequadas, mas não eliminam a necessidade de verificar a temperabilidade, o tamanho da seção, o controle do banho e a cinética de transformação.

O revenimento deve seguir a têmpera dentro da janela de processo especificada. Para alguns componentes, um tratamento separado de alívio de tensões após a usinagem de desbaste ou depois de uma operação térmica anterior reduz a possibilidade de que tensões residuais sejam liberadas durante a usinagem final. O alívio de tensões não é uma solução universal: ele pode alterar a dureza, afetar as tolerâncias dimensionais ou não remover tensões retidas por uma têmpera severa.

A inspeção deve medir mais do que a dureza superficial. Dependendo do componente, as verificações dimensionais podem incluir comprimento, circularidade, retilineidade, planicidade, dimensão do furo e batimento antes e depois do tratamento. Perfis de dureza, exame metalográfico, inspeção por partículas magnéticas e ensaio ultrassônico podem revelar diferentes classes de problemas. A ISO 17663:2023 estabelece requisitos de qualidade para o tratamento térmico, em ar ou em atmosferas controladas, de aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados, incluindo trabalhos realizados em oficinas ou no local. Seu foco na qualidade apoia o registro das temperaturas do forno, dos tempos de transferência, das condições do banho, da identificação da carga e dos resultados das inspeções.

A estabilidade dimensional é, portanto, um resultado do projeto e do processo. O aquecimento uniforme ajuda, a transferência controlada ajuda, a agitação adequada ajuda e o alívio de tensões pode ajudar; nenhum desses fatores é suficiente em todos os casos. O ciclo aceitável é aquele que produz as fases e propriedades necessárias, mantendo a deformação térmica, a deformação de transformação, a restrição e a tensão residual dentro da tolerância do componente à distorção e à fratura.

Tratamento Térmico em Soldagem e Fabricação

O tratamento térmico na fabricação começa antes que um ciclo de forno seja especificado. Soldagem, corte a chama, conformação, desempeno e reparo local impõem históricos térmicos ao aço, muitas vezes abrangendo apenas parte de um componente. O arco de soldagem pode elevar uma região estreita acima da faixa de austenitização, enquanto o material adjacente permanece relativamente frio; em seguida, o calor flui para o metal de base, produzindo gradientes acentuados de temperatura e contração desigual. Assim, o metal de solda, a linha de fusão, a zona afetada pelo calor (ZAC) e o metal de base não afetado podem apresentar microestruturas, níveis de dureza e tensões residuais diferentes.

O resultado depende da composição, da espessura da seção, da restrição, da geometria da junta, do aporte térmico, do pré-aquecimento, da temperatura entre passes, das condições de resfriamento e de qualquer tratamento posterior. Uma receita copiada de um corpo de prova usinado não pode levar em conta todas essas variáveis.

Pré-aquecimento, tratamento térmico pós-soldagem e ciclos térmicos locais

O pré-aquecimento reduz a diferença de temperatura entre a região da solda e o aço ao redor. Em geral, isso diminui a velocidade de resfriamento após a soldagem, dando ao hidrogênio difusível mais tempo para escapar e reduzindo a probabilidade de trincamento assistido por hidrogênio em aços suscetíveis. Também reduz os gradientes térmicos e pode diminuir as tensões relacionadas à contração. O pré-aquecimento não é uma proteção universal: uma temperatura excessiva pode ampliar a ZAC, alterar a tenacidade, aumentar a distorção ou interferir em um procedimento de soldagem especificado.

A temperatura relevante não é simplesmente a temperatura da tocha, da bobina de indução ou do arco. É a temperatura da peça de trabalho em locais definidos, incluindo a área ao redor da junta e, quando aplicável, a região entre passes. A espessura, a restrição da junta, o teor de carbono, as adições de elementos de liga e a temperabilidade afetam a velocidade de resfriamento. Um aço carbono-manganês e um aço baixa liga Cr-Mo podem responder de maneira muito diferente ao mesmo pré-aquecimento nominal.

Durante a soldagem, pode formar-se austenita nas partes da ZAC que ultrapassam a faixa crítica de transformação. Durante o resfriamento, essa austenita pode transformar-se em ferrita, perlita, bainita ou martensita, dependendo da trajetória de resfriamento contínuo. Grãos grosseiros podem desenvolver-se próximos à linha de fusão, enquanto regiões parcialmente transformadas ou revenidas ocorrem mais afastadas. Essas zonas não são mostradas apenas pelo diagrama de equilíbrio ferro–carboneto de ferro. Os diagramas de transformação temperatura-tempo (TTT) descrevem o comportamento isotérmico; os diagramas de transformação por aquecimento contínuo e resfriamento contínuo (CCT) são mais úteis para muitos ciclos reais de fabricação.

O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) pode revenir produtos de transformação endurecidos, reduzir tensões residuais, estabilizar dimensões e melhorar a resistência a danos em serviço. Para um aço ferrítico, o tratamento pode envolver o aquecimento do componente soldado até uma faixa especificada, sua permanência nessa faixa por tempo suficiente para que a seção relevante atinja a condição exigida e o resfriamento sob condições controladas. O ciclo efetivo deve ser estabelecido pela especificação do material, pelo código de projeto, pelo procedimento de soldagem ou por uma instrução de engenharia qualificada. O PWHT não é simplesmente um “alívio de tensões”, pois pode alterar a dureza, a tenacidade, a resistência mecânica e a microestrutura.

O PWHT local é particularmente sensível à geometria. Uma faixa aquecida ao redor de uma solda circunferencial cria um campo térmico móvel, e a temperatura fora da faixa aquecida deve ser controlada para que gradientes térmicos acentuados não introduzam novas tensões. Grandes vasos, tubulações e reparos em campo podem exigir múltiplas zonas de aquecimento, isolamento térmico, resfriamento controlado e vários termopares. O tratamento em forno pode proporcionar um ambiente mais uniforme, mas o carregamento, a calibração do forno, as condições de apoio e a parte mais fria do componente continuam sendo importantes. Um forno não garante temperatura uniforme na peça de trabalho.

O mesmo princípio se aplica a processos correlatos. O desempeno a chama cria deliberadamente expansão e contração locais; o aquecimento por indução pode endurecer uma superfície, deixando abaixo dela uma transição acentuada; a conformação a quente altera a estrutura dos grãos e as tensões residuais; e o corte térmico pode deixar uma borda endurecida ou amolecida. Cada processo deve ser tratado como um ciclo térmico definido, e não como uma leitura isolada de temperatura.

Aços ferríticos e componentes soldados ou conformados

Os aços ferríticos incluem muitos aços carbono, carbono-manganês, baixa liga, para vasos de pressão, estruturais e para tubulações. Sua resposta é determinada pelo teor de carbono e de elementos de liga, pelo tamanho de grão inicial, pelo tamanho da seção e pela velocidade de resfriamento. As fases familiares mencionadas no curso de Metalurgia do Aço e Tratamento Térmico da ASTM International — ferrita, austenita, cementita, perlita, martensita e bainita — não são rótulos intercambiáveis. Elas representam diferentes arranjos e produtos de transformação, com diferentes comportamentos de dureza, resistência mecânica, tenacidade e trincamento.

Uma solda pode produzir martensita em uma ZAC temperável resfriada rapidamente, mesmo quando a maior parte da chapa permanece ferrítico-perlítica. O revenimento pode reduzir essa dureza, mas o resultado depende da composição original e da exposição térmica. O reaquecimento de uma solda também afeta os passes depositados anteriormente: um passe posterior pode revenir, refinar ou transformar parcialmente o material criado por um passe anterior. Em seções espessas e restringidas, a superfície e o centro podem seguir trajetórias de resfriamento diferentes; por isso, a dureza e as tensões residuais podem variar ao longo da espessura.

Os componentes conformados exigem a mesma atenção. A dobra, a prensagem e a correção local alteram a geometria e podem produzir encruamento, redução de espessura, tensões residuais ou mudanças no fluxo dos grãos. Se uma peça de aço ferrítico conformada for posteriormente soldada, o histórico de conformação anterior se combina com o ciclo térmico da soldagem. Recozimento, normalização, têmpera e revenimento ou um tratamento especificado de alívio de tensões podem ser apropriados em um projeto e prejudiciais em outro. A ISO 683-1:2016 aborda os requisitos técnicos de fornecimento para aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas; ela não transforma um tratamento em uma instrução geral para conjuntos fabricados.

O ASM Handbook Volume 4A de 2024, da ASM International, abrange austenitização, recozimento, revenimento, têmpera, temperabilidade, endurecimento superficial, austêmpera, martêmpera, dureza e controle de tensões residuais. Esses temas explicam por que um tratamento especificado deve estar vinculado a uma classe de aço e a um componente, e não apenas a um setpoint de forno. A distorção é produzida tanto pela expansão térmica quanto pela deformação de transformação. A restrição determina quanto desse movimento se transforma em tensão residual.

Requisitos de qualidade da ISO 17663:2023

A ISO 17663:2023 é a norma de requisitos de qualidade indicada para o tratamento térmico associado à soldagem e a processos correlatos. Ela abrange tratamentos realizados ao ar ou em atmosferas controladas, tanto em oficinas quanto no local de execução, e se aplica principalmente a aços ferríticos e a componentes soldados ou conformados relacionados. Sua importância é processual: o ciclo térmico passa a ser uma atividade de fabricação controlada, com responsabilidades, equipamentos, medições, registros e inspeções definidos.

Um sistema de qualidade conforme não presume que um programa genérico de forno seja adequado. O procedimento aplicável identifica o material, o componente, a finalidade do tratamento, o método de aquecimento, a faixa de temperatura, as condições de permanência, o método de resfriamento e os locais relevantes de medição. Quando o processo é crítico, a qualificação do procedimento demonstra que o ciclo proposto produz propriedades e resultados dimensionais aceitáveis em material e geometria representativos. A qualificação pode precisar considerar a espessura, a configuração da junta, a disposição do aquecimento local, a restrição e a relação entre a temperatura do ar registrada e a temperatura efetiva do componente.

A medição de temperatura é, portanto, uma função de controle, e não um simples elemento decorativo em um gráfico. Termopares, sensores, registradores e a situação da calibração devem ser adequados ao processo e posicionados para detectar regiões significativamente quentes e frias. Os equipamentos de forno ou de aquecimento local exigem controle da uniformidade, do isolamento térmico, da atmosfera quando especificada, da velocidade de aquecimento, da velocidade de resfriamento e da proteção contra contaminação ou oxidação não intencional. Os sistemas locais exigem atenção especial à disposição das zonas e à perda de calor em apoios, acessórios e bordas livres.

Os registros estabelecem o que ocorreu com o componente. Eles podem incluir a identificação do material e da solda, a revisão do procedimento, a identificação do equipamento, a localização dos sensores, os gráficos de temperatura-tempo, os dados do operador ou inspetor, interrupções, reparos e a disposição das não conformidades. A rastreabilidade vincula esses registros ao número da corrida, ao número da solda, ao conjunto ou à peça conformada. Em seguida, a inspeção compara o trabalho concluído com a especificação aplicável, incluindo condição visual, verificações dimensionais, dureza, ensaios não destrutivos ou ensaios mecânicos, quando exigidos pelos documentos de projeto e fabricação aplicáveis.

A ISO 17663:2023 não substitui a norma do material, o código de projeto ou a especificação do procedimento de soldagem. Ela fornece uma estrutura de qualidade para controlar o tratamento exigido por esses documentos. Essa distinção é importante: a fabricação bem-sucedida é demonstrada por um histórico térmico controlado e rastreável, seguido de evidências de que o componente acabado mantém a estrutura, as propriedades e as dimensões exigidas.

Linguagem de Classes, Especificações e Normas de Aço

A designação de um aço e a condição de tratamento térmico identificam partes diferentes do registro do material. A designação responde à pergunta: “Qual classe de aço foi especificada?”. A condição responde à pergunta: “Como esse aço foi fornecido ou tratado antes de chegar à próxima operação de fabricação?”. Confundir essas perguntas pode transformar uma indicação correta do material em uma suposição incorreta sobre o processo.

Uma designação de classe normalmente identifica uma classe de composição ou uma categoria de produto estabelecida por uma norma. Por si só, ela não declara que toda peça produzida com essa classe foi temperada e revenida, nem garante uma determinada dureza após o tratamento. Em contrapartida, uma condição de fornecimento descreve o estado em que o material é fornecido: por exemplo, não tratado, normalizado, temperado e revenido ou processado de outra forma conforme a especificação aplicável do produto. As condições e os requisitos exatos permitidos dependem da norma, da forma do produto e da especificação de compra.

O tratamento térmico acrescenta uma terceira camada. Trata-se de um ciclo térmico controlado, e não apenas de uma condição denominada. A taxa de aquecimento, a prática de austenitização, o tempo de permanência, a severidade do resfriamento, a atmosfera, a uniformidade da temperatura, a geometria da peça e o tamanho da seção influenciam a estrutura resultante. O carbono e os elementos de liga afetam a estabilidade das fases e a cinética de transformação; portanto, a mesma classe nominal pode responder de modo diferente quando suas dimensões, a carga do forno ou a configuração de resfriamento mudam.

O ASM Handbook Volume 4A de 2024, da ASM International, aborda metalurgia física, dureza e temperabilidade, têmpera, recozimento, revenimento, austêmpera, martêmpera, austenitização e processos de endurecimento superficial. Esses temas explicam por que uma designação não pode substituir uma especificação de processo. Ferrita, austenita, cementita, perlita, martensita e bainita se formam sob diferentes condições térmicas e cinéticas. A designação de um aço fornece parte das informações iniciais, enquanto a rota de tratamento determina quais transformações são possíveis e quão uniformemente elas ocorrem.

Aços não ligados para têmpera e revenimento

Aço não ligado não é sinônimo de aço que possa ser processado por um único ciclo universal de endurecimento. Sua resposta depende do teor de carbono, da microestrutura inicial, da espessura da seção, da prática de aquecimento e das condições de resfriamento. A têmpera pode produzir martensita onde a taxa de resfriamento é suficiente, enquanto regiões mais lentas podem se transformar em outros produtos. O revenimento então modifica a estrutura resultante da têmpera e alivia ou redistribui as tensões, mas o resultado final ainda depende do histórico térmico completo.

A questão de engenharia relevante, portanto, não é simplesmente saber se uma classe é um “aço temperado e revenido”. É saber se o material especificado, em sua seção e geometria reais, pode atingir a estrutura e as propriedades exigidas por meio de uma rota definida. A temperabilidade é importante porque a dureza, por si só, não descreve até que profundidade uma seção se transforma. A distorção e as tensões residuais são importantes porque um componente pode atingir uma meta nominal de dureza e, ainda assim, não atender aos requisitos dimensionais ou de serviço.

O diagrama de equilíbrio ferro–carboneto de ferro ajuda a identificar a estabilidade das fases sob condições próximas do equilíbrio, mas não prevê, por si só, o resultado de uma têmpera rápida. Os diagramas de transformação tempo–temperatura descrevem a transformação isotérmica; os diagramas de transformação por aquecimento contínuo e por resfriamento contínuo abordam de forma mais direta trajetórias de temperatura variáveis. O tratamento de 2024 da ASM relaciona especificamente esses diagramas à austenitização, ao comportamento de transformação, à distorção e ao controle das tensões residuais no tratamento térmico dos aços. Essa relação é essencial para aços não ligados destinados ao endurecimento.

Uma condição normalizada ilustra a distinção entre classe e rota. A normalização pode estabelecer uma microestrutura inicial diferente daquela de uma condição laminada ou recozida, afetando o comportamento subsequente de austenitização, têmpera e revenimento. Ela deve ser tratada como um estado de processamento especificado, e não como uma propriedade automática da designação.

Designação, condição de fornecimento e rota de tratamento

Uma indicação de material deve separar pelo menos três questões: a identidade do aço, a condição em que ele é fornecido e o tratamento exigido para o componente. A primeira pode ser expressa por meio de uma designação normativa. A segunda pode aparecer como condição de fornecimento na norma do produto ou na documentação do pedido. A terceira pertence a uma especificação de processo que define como o componente será aquecido, mantido, resfriado, inspecionado e aprovado.

Esses registros também devem considerar o componente, e não apenas o setpoint do forno. Uma borda fina e um cubo espesso não experimentam o mesmo histórico térmico. Furos, cantos, mudanças de seção e o contato com dispositivos de fixação alteram o fluxo de calor e o desenvolvimento das tensões. A atmosfera do forno pode afetar a química superficial e a formação de carepa; a uniformidade da temperatura e a disposição da carga afetam se todas as regiões recebem o ciclo pretendido. Os meios de resfriamento e a agitação alteram a extração de calor, enquanto a transferência retardada ou a imersão desigual podem produzir gradientes.

O nome do tratamento, por si só, continua incompleto. “Temperado e revenido” identifica uma sequência, mas não o procedimento completo. Uma especificação de processo utilizável deve estabelecer a classe e a condição aplicáveis, os controles do equipamento, a medição da temperatura, as regras de aquecimento e permanência, os requisitos de transferência, o método de resfriamento, a prática de revenimento e os critérios de inspeção. Ela também pode precisar incluir disposições para mapeamento de dureza, verificações dimensionais, condição superficial e correção da distorção.

As normas definem requisitos e escopo; elas não eliminam a necessidade de julgamento de engenharia sobre um componente específico. A ISO 17663:2023 fornece um contexto separado de requisitos da qualidade para tratamentos térmicos relacionados à soldagem e a processos correlatos. Ela abrange tratamentos realizados ao ar ou em atmosferas controladas, tanto em oficinas quanto no local, e se aplica principalmente a aços ferríticos e a componentes soldados ou conformados relacionados. Sua existência não transforma toda operação de tratamento térmico em um procedimento de soldagem, mas mostra por que os controles da qualidade devem acompanhar o trabalho que está sendo realizado.

ISO 683-1:2016 em contexto

O título exato é ISO 683-1:2016, Aços tratáveis termicamente, aços ligados e aços de usinagem fácil — Parte 1: Aços não ligados para têmpera e revenimento. O título situa os aços não ligados em uma série mais ampla, ao mesmo tempo que identifica a parte específica abrangida pelo documento.

A ISO 683-1:2016 define requisitos técnicos de fornecimento dentro de seu escopo declarado, e não uma receita universal de tratamento térmico. Strong evidence

De acordo com a International Organization for Standardization, a ISO 683-1:2016 especifica requisitos técnicos de fornecimento para aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas. “Requisitos técnicos de fornecimento” é o limite importante da linguagem normativa. O documento estabelece requisitos para o material fornecido dentro de seu escopo; ele não constitui uma receita universal para todo componente produzido com um aço abrangido.

Essa distinção evita dois erros comuns. Primeiro, uma designação abrangida pela ISO 683-1:2016 não prova que um componente acabado tenha recebido o tratamento exigido. Segundo, a seleção de uma condição de fornecimento não estabelece o ciclo térmico completo necessário para alcançar um objetivo de projeto. A especificação do componente ainda deve abordar a geometria, o tamanho da seção, o aquecimento, a permanência, o resfriamento, a atmosfera, o controle da distorção, as tensões residuais e a verificação.

A ISO 683-1:2016 é, portanto, uma referência de material e de fornecimento dentro de um sistema de controle mais amplo. A ASM International, a ASTM International, o NPTEL e a referência de 1984 Steel and Its Heat Treatment descrevem o tratamento térmico por meio das transformações de fase e do histórico tempo–temperatura. A norma fornece a estrutura contratual do material; a análise metalúrgica e uma especificação de processo controlada determinam se a peça real alcança a condição exigida.

Controle do Processo, Verificação e Análise de Falhas

O tratamento térmico deve ser verificado como uma sequência controlada, e não avaliado apenas pela dureza. Antes de carregar o forno, confirme o tipo de aço, o número da corrida ou da fusão, a forma do produto, o tamanho da seção e a condição anterior. Uma barra de aço-liga temperado e revenido não é intercambiável com uma barra de aço-carbono normalizado, mesmo quando ambas apresentam teor de carbono semelhante. A estrutura inicial de ferrita-perlita, o encruamento prévio, o tamanho de grão, a segregação e a condição de usinagem afetam a resposta à austenitização, a cinética de transformação, a distorção e a dureza final.

O registro do processo deve relacionar essa identificação do material ao histórico térmico completo: temperatura de ajuste e temperatura medida do forno, condição da atmosfera, disposição da carga, taxa de aquecimento quando relevante, tempo de encharque ou de manutenção, tempo de transferência, meio de têmpera e agitação, trajetória de resfriamento, ciclo de revenimento e qualquer operação pós-tratamento. O ASM Handbook Volume 4A (ASM International, 2024) reúne dureza, temperabilidade, têmpera, distorção e controle de tensões residuais dentro do mesmo problema de tratamento térmico. Essa relação é importante. Uma peça pode atingir a dureza superficial especificada e ainda apresentar um núcleo inadequado, tensão de tração excessiva ou uma alteração geométrica que impeça a montagem.

A ISO 683-1:2016 estabelece requisitos técnicos de fornecimento para aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, à têmpera por chama, à têmpera por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas. A ISO 17663:2023 aborda os requisitos de qualidade para tratamentos térmicos realizados ao ar ou em atmosferas controladas, em oficinas ou no local, principalmente para aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados. Essas normas fornecem uma estrutura de qualidade; elas não transformam todos os tipos de aço, geometrias e condições de serviço em uma única regra universal de aceitação. O desenho aplicável, a especificação do material, o procedimento e o plano de inspeção devem definir o que é aceitável.

Atmosfera do forno e uniformidade da temperatura

O controle da temperatura começa pela medição, e não pelo visor do controlador. Um forno pode indicar 850 °C enquanto a carga está submetida a uma temperatura diferente devido à localização do sensor, aos gradientes de radiação, ao isolamento danificado, à circulação obstruída ou à sobrecarga da zona de trabalho. Ensaios de uniformidade de temperatura e termopares de carga calibrados revelam essas diferenças. A questão relevante não é apenas saber se o forno atingiu o ponto de ajuste, mas se a peça atingiu a temperatura necessária em toda a carga e permaneceu nela pelo tempo previsto.

A disposição da carga afeta o aquecimento e o resfriamento. Peças muito próximas umas das outras podem proteger-se do calor radiante e restringir o fluxo de gás ou do meio de têmpera. Seções grandes aquecem mais lentamente no centro do que na superfície; saliências finas podem superaquecer enquanto o núcleo ainda está abaixo da faixa de austenitização pretendida. Assim, um tempo de manutenção medido a partir da recuperação da temperatura do forno pode ser metalurgicamente diferente de um tempo de manutenção medido depois que a carga se homogeneizou.

O controle da atmosfera tem duas finalidades: limitar as alterações químicas na superfície e favorecer uma transferência de calor repetível. O excesso de oxigênio ou de vapor de água promove oxidação e formação de carepa. Um potencial de carbono inferior ao requisito de equilíbrio do aço pode produzir descarbonetação, removendo carbono da superfície e reduzindo a dureza alcançável. Um potencial de carbono excessivo pode causar cementação, resultando em uma superfície dura e frágil ou em um gradiente anormal de carbono. Gás endotérmico, sistemas de nitrogênio-metanol, vácuo, sal e ar impõem necessidades de monitoramento diferentes. Ponto de orvalho, potencial de oxigênio, potencial de carbono, vazão de gás, pressão e registros de alarmes podem ser relevantes, dependendo do processo.

A transferência do forno para a têmpera é outro ponto de controle. O atraso permite uma transformação parcial, especialmente próximo ao nariz de um diagrama de transformação em resfriamento contínuo, e pode produzir ferrita, perlita ou bainita antes que a formação de martensita esteja completa. A temperatura de têmpera, a agitação, a contaminação, a concentração e a orientação da peça determinam então a severidade do resfriamento. Um meio de têmpera que resfria rapidamente em uma região pode resfriar lentamente em outra devido a mantas de vapor, fluxo estagnado ou alteração das condições do fluido. O resultado é um histórico de processo, não um único número de taxa de resfriamento.

Verificações de dureza, microestrutura e dimensões

A verificação deve utilizar vários exames relacionados entre si. A dureza é uma triagem rápida da resposta ao tratamento, mas seu significado depende da localização, do método, da condição superficial e do tamanho da seção. Verifique as regiões especificadas, e não apenas a superfície mais conveniente. Compare a superfície e o núcleo quando a espessura da seção tornar prováveis os gradientes, e remova a carepa ou o material descarbonetado quando o método de inspeção exigir uma superfície de ensaio íntegra. Um perfil de dureza pode mostrar se a têmpera por indução ou por chama produziu a profundidade de camada pretendida, enquanto uma única leitura pode ocultar uma transição abrupta.

O exame microestrutural explica resultados de dureza que parecem contraditórios. Após a têmpera, a estrutura pode conter martensita, bainita, ferrita, perlita e austenita retida em proporções controladas pelo teor de carbono, pelos elementos de liga, pela taxa de resfriamento e pela geometria local. O revenimento altera a martensita e alivia parte da tensão de têmpera; ele não elimina todos os erros de processo anteriores. As seções metalográficas devem ser retiradas de locais representativos ou suspeitos, preparadas sem superaquecimento ou arrastamento, e interpretadas considerando o tipo de aço e o histórico do tratamento.

A inspeção superficial pode identificar oxidação, carepa, descarbonetação, cementação, trincas de têmpera, trincas de retificação, dobras, falhas de sobreposição e superaquecimento local. A descarbonetação geralmente aparece como uma camada ferrítica de baixo carbono sob a superfície. A oxidação deixa carepa ou ataque intergranular quando é severa. Uma quantidade excessiva de austenita retida pode acompanhar alto teor de carbono ou de elementos de liga, severidade de têmpera insuficiente, temperatura de têmpera excessivamente alta ou uma temperatura de início da formação de martensita suficientemente baixa para que a transformação permaneça incompleta à temperatura ambiente. Posteriormente, ela pode se transformar durante o serviço, a usinagem ou o tratamento a frio, causando variação dimensional.

As dimensões devem ser medidas antes e depois do tratamento, em referências geométricas definidas. Registre comprimento, diâmetro, planicidade, circularidade, batimento, tamanho dos furos e características relevantes do perfil, de acordo com o desenho do componente. A distorção é causada por aquecimento desigual, alterações de volume decorrentes das transformações, gradientes térmicos, geometria assimétrica, fluxo do meio de têmpera, tensão residual de usinagem e restrições. As tensões residuais podem permanecer mesmo quando as dimensões estão dentro da tolerância; portanto, o controle da distorção e o controle das tensões são tarefas relacionadas, mas não idênticas. O tratamento dado pelo ASM em 2024 à distorção e às tensões residuais é, portanto, diretamente relevante para o planejamento da inspeção.

Interpretação de resultados não conformes

Um resultado não conforme é evidência de uma condição do processo ou do material que exige segregação e investigação, não um convite para repetir o ciclo sem diagnóstico. Primeiro, preserve a rastreabilidade: identifique a carga do forno, a corrida do material, os locais ensaiados, os instrumentos utilizados, a situação da calibração e o resultado exato. Confirme o método de ensaio e a localização do corpo de prova antes de atribuir a causa à metalurgia. Uma leitura de baixa dureza falsamente baixa pode resultar de carepa, descarbonetação, superfície áspera, indentação superficial ou ensaio realizado muito próximo de uma borda.

Pontos moles geralmente resultam de severidade de têmpera inadequada, agitação insuficiente, formação de manta de vapor, fluxo do fluido bloqueado, atraso excessivo na transferência, austenitização insuficiente ou uma seção grande demais para o aço e o meio de têmpera selecionados. Temperatura não uniforme no forno ou uma carga disposta de maneira inadequada podem produzir a mesma aparência. Dureza excessiva pode indicar revenimento insuficiente, temperatura de revenimento incorreta, uma superfície excessivamente carburada ou uma estrutura contendo martensita não revenida. Também pode refletir um ensaio realizado em uma região endurecida fina, em vez do material maciço pretendido.

A descarbonetação aponta para o controle da atmosfera, exposição excessiva, remoção de carepa ou uma operação anterior de aquecimento. A oxidação sugere entrada de ar, potencial inadequado do forno, ponto de orvalho elevado ou exposição prolongada. O crescimento excessivo de grão geralmente ocorre após temperatura de austenitização excessiva, tempo de manutenção excessivo, aquecimentos repetidos ou superaquecimento local; isso pode reduzir a tenacidade e aumentar a sensibilidade à distorção. As trincas podem resultar de têmpera severa, cantos vivos, danos de retificação, defeitos preexistentes, hidrogênio ou contaminação superficial, ou tensões residuais que se combinam com a tensão de transformação. A morfologia e a localização da trinca são frequentemente mais informativas do que a dureza.

A presença inesperada de austenita retida deve motivar uma revisão do teor de carbono e dos elementos de liga, da temperatura real de austenitização, da taxa de resfriamento, da interrupção da têmpera e de qualquer efeito estabilizador decorrente da geometria ou da espessura da seção. O crescimento dimensional após o tratamento pode apoiar esse diagnóstico, mas não constitui, por si só, uma prova. A ação corretiva pode envolver reclassificação, revenimento adicional, alívio de tensões, reinspeção ou rejeição; a disposição apropriada depende da especificação aplicável e da avaliação de engenharia. A disciplina essencial consiste em alterar uma única variável de processo identificada por vez e verificar a estrutura, as propriedades, a condição superficial e as dimensões resultantes.

Uma Estrutura Unificada para a Seleção de um Tratamento Térmico

O tratamento térmico deve ser selecionado com base no perfil de propriedades requerido e nas condições de serviço, e não a partir de uma temperatura familiar ou de uma designação genérica de qualidade. Um ciclo térmico controlado transforma o aço por meio de transformações de fase, mas a ferrita, a perlita, a bainita, a martensita, a austenita retida e os carbonetos resultantes dependem da composição, do tamanho da seção, da taxa de aquecimento, da trajetória de resfriamento e da condição inicial do material. Portanto, o mesmo tratamento nominal pode produzir uma tenacidade útil em um componente e, em outro, trincas, distorção excessiva ou dureza inadequada no núcleo.

O ASM Handbook Volume 4A, da ASM International, identifica a metalurgia física, a dureza e a temperabilidade, a têmpera, o recozimento, o revenimento, a austêmpera, a martêmpera, a austenitização e o endurecimento superficial como partes interligadas do tratamento térmico dos aços, e não como operações isoladas (ASM International, 2024). Essa conexão constitui a base para a seleção de um processo.

Comece pelas propriedades requeridas e pelas condições de serviço

Defina o objetivo de engenharia antes de escolher um ciclo térmico. A dureza requerida pode referir-se a toda a seção, a uma superfície de desgaste ou a uma profundidade de camada específica. A resistência à tração e o limite de escoamento são importantes, mas não substituem a tenacidade, a ductilidade ou a resistência à fadiga. Uma superfície martensítica dura pode resistir ao desgaste abrasivo, ao mesmo tempo que reduz a tolerância ao impacto ou aumenta a sensibilidade a danos de retificação. Uma estrutura bainítica ou martensítica revenida, com menor dureza, pode suportar cargas repetidas de modo mais confiável.

A condição de serviço determina qual compromisso é aceitável. Um dente de engrenagem está sujeito a tensão de contato, desgaste por deslizamento, fadiga por flexão e, frequentemente, a um gradiente de dureza entre a camada superficial e o núcleo. Um eixo pode precisar de um núcleo tenaz, de um munhão duro e de limites rigorosos de desvio após o tratamento. Um componente soldado de retenção de pressão dá maior ênfase às tensões residuais, ao controle do hidrogênio, à tenacidade e à inspeção do que à dureza máxima. Temperatura, exposição corrosiva, lubrificação, carregamento de impacto, tensão cíclica e as consequências de uma fratura devem fazer parte da mesma avaliação inicial.

A tolerância dimensional deve ser especificada juntamente com as propriedades mecânicas. Um componente mantido dentro de poucos centésimos de milímetro não pode ser tratado como se a distorção fosse uma correção posterior. A geometria modifica o campo térmico: as bordas finas aquecem e resfriam rapidamente, os furos alteram a rigidez local, os cantos vivos concentram tensões e as seções longas e assimétricas se deformam à medida que as deformações de transformação se desenvolvem. O gradiente desejado entre superfície e núcleo também deve ser explicitado. A têmpera integral, o endurecimento seletivo e os tratamentos de alívio de tensões impõem diferentes exigências térmicas e mecânicas.

A condição inicial faz parte da especificação. Estruturas fundidas, trabalho a frio prévio, ferrita-perlita normalizada, carbonetos esferoidizados, martensita previamente revenida e uma zona termicamente afetada pela soldagem não respondem de forma idêntica. Um componente soldado pode conter gradientes de dureza e tensões residuais de tração antes do início do tratamento planejado. A ISO 17663:2023 aborda os requisitos de qualidade para o tratamento térmico em ar ou em atmosferas controladas, em oficinas ou no local, principalmente para aços ferríticos e componentes soldados ou conformados relacionados. Sua relevância é prática: o registro do processo, a medição da temperatura, o controle da atmosfera e o plano de inspeção devem corresponder ao histórico e ao risco do componente.

Relacione a composição do aço ao comportamento de transformação

O carbono controla a quantidade de carbono disponível para a formação de martensita e afeta as frações e a dureza da ferrita, da perlita e da cementita. Os elementos de liga alteram as temperaturas de transformação, a estabilidade dos carbonetos, a temperabilidade, a resposta ao revenimento e o comportamento quanto à oxidação. AISI 1045 e AISI 4140 não podem receber a mesma premissa de têmpera simplesmente porque ambos podem ser temperados e revenidos. O teor de cromo e molibdênio do AISI 4140 retarda as transformações difusionais e, em geral, permite maior têmpera integral do que o AISI 1045 ao carbono comum em uma seção comparável. O AISI 52100 acrescenta alto teor de carbono e cromo, e o controle dos carbonetos passa a ser fundamental para o desempenho e a estabilidade dimensional de rolamentos.

O diagrama ferro–carboneto de ferro ajuda a identificar as fases de equilíbrio e a solubilidade do carbono, mas não prevê a estrutura formada por um ciclo real de resfriamento. A austenita pode transformar-se em perlita ou bainita se o resfriamento atravessar a região correspondente de tempo e temperatura; se a difusão for suficientemente suprimida, ela pode transformar-se em martensita em temperaturas governadas pela composição do aço. A abordagem da ASM de 2024 sobre os diagramas de transformação distingue os conceitos de equilíbrio do comportamento de transformação tempo–temperatura–transformação (TTT) e de transformação em resfriamento contínuo (CCT). Essa distinção evita um erro comum: escolher uma temperatura de austenitização a partir de um diagrama de fases e presumir que, com isso, o resultado do resfriamento esteja determinado.

Use um diagrama TTT para analisar patamares isotérmicos e um diagrama CCT para analisar o resfriamento prático a partir da austenita. A questão não é simplesmente saber se um meio de têmpera é “rápido”. É preciso determinar se a curva de resfriamento da seção real evita, quando necessário, o nariz da perlita ou da bainita e, em seguida, atravessa a faixa martensítica a uma taxa que limite as tensões térmicas e de transformação. Um diâmetro grande pode resfriar lentamente em seu centro, enquanto uma borda fina resfria rapidamente, produzindo estruturas diferentes em uma mesma peça. A temperabilidade, avaliada, por exemplo, pelo método de têmpera na extremidade Jominy, descreve a profundidade até a qual um aço pode desenvolver dureza sob uma condição de resfriamento definida; ela não garante uma determinada dureza em todas as geometrias.

Esse raciocínio pode levar à escolha de uma severidade de têmpera inferior à máxima. A têmpera e o revenimento podem proporcionar a resistência requerida, mas a martêmpera pode reduzir a diferença de temperatura durante a formação da martensita e, assim, diminuir o risco de distorção. A austêmpera pode produzir bainita com tenacidade útil e menor deformação de têmpera quando o aço e o tamanho da seção permitirem a transformação isotérmica necessária. A normalização pode refinar uma estrutura inicial irregular, enquanto o recozimento ou a esferoidização podem melhorar a usinabilidade antes do endurecimento. O endurecimento por chama e por indução pode proporcionar alta dureza na superfície, mantendo um núcleo mais tenaz, desde que o padrão de aquecimento, a frequência, a velocidade de varredura e a capacidade de auto-resfriamento sejam controlados.

Equilibre desempenho, manufaturabilidade e risco

Uma microestrutura tecnicamente obtida ainda pode ser uma escolha inadequada para a fabricação. Considere a capacidade do forno, a disposição da carga, a uniformidade do aquecimento, a agitação da têmpera, a contaminação do meio de têmpera, a atmosfera, a fixação, a sequência de usinagem e a capacidade de medir a temperatura em locais representativos. A seleção da atmosfera não é meramente estética: a oxidação, a descarbonetação, a cementação e a carepa podem alterar a dureza superficial e as dimensões. Um cálculo de temperabilidade também é incompleto sem considerar a espessura da seção, os raios dos cantos, o contato com os dispositivos de fixação e as condições de resfriamento na superfície.

As tensões residuais e a distorção devem ser tratadas como restrições de projeto. A contração térmica e a expansão de transformação ocorrem em momentos e locais diferentes, enquanto a formação de martensita pode bloquear tensões antes que o núcleo tenha resfriado. As trincas são mais prováveis quando alta tensão se combina com alta dureza, geometria acentuada, danos superficiais, hidrogênio ou uma têmpera inadequada. O revenimento, portanto, não é apenas um ajuste de dureza; ele altera a estabilidade e a tenacidade da estrutura temperada e reduz parte do conjunto de tensões gerado pela têmpera. A temperatura e o tempo de revenimento, bem como o atraso na transferência, exigem controle.

O histórico de soldagem pode mudar completamente a decisão. O tratamento térmico pós-soldagem pode reduzir as tensões residuais ou revenir zonas endurecidas, mas também pode afetar a resistência, a precisão dimensional e a tenacidade se o ciclo não for adequadamente compatibilizado com o aço. A ISO 683-1:2016 abrange os requisitos técnicos de fornecimento para aços não ligados destinados principalmente à têmpera e ao revenimento, à austêmpera, ao endurecimento por chama, ao endurecimento por indução e, em alguns casos, a condições normalizadas. A norma não elimina a necessidade de qualificar um tratamento para uma peça específica.

A capacidade de inspeção estabelece o limite de um controle de processo confiável. Os levantamentos de dureza devem abranger a superfície e o núcleo quando um gradiente for especificado. A metalografia pode ser necessária para detectar descarbonetação, austenita retida, martensita não revenida, bainita, redes de carbonetos ou tamanho de grão anormal. Verificações dimensionais, inspeção por partículas magnéticas ou líquido penetrante, ensaios ultrassônicos e avaliação das tensões residuais podem ser apropriados quando trincas ou defeitos internos acarretarem consequências graves.

A decisão de seleção pode, portanto, ser tomada em sequência: definir as cargas de serviço e os limites de propriedades; especificar a dureza superficial e do núcleo e as tolerâncias dimensionais; identificar a qualidade do aço, a microestrutura inicial, a geometria da seção e o histórico de soldagem; comparar as trajetórias de transformação TTT/CCT; selecionar métodos de aquecimento, atmosfera, resfriamento e revenimento que possam ser controlados; e, então, qualificar o ciclo por meio da inspeção da dureza, da estrutura, das dimensões e dos defeitos. Se nenhuma alternativa atender aos limites de resistência, tenacidade, distorção e produção, altere o aço, a geometria, a sequência de usinagem ou a estratégia de tratamento superficial. O tratamento térmico é um problema integrado de metalurgia e processo. A escolha determinante não é um único valor de temperatura, mas um histórico térmico verificado e compatibilizado com o aço e a peça.

Referências

1. [1]ASM International. Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes. ASM Handbook Volume 4A, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/Steel-Heat-Treating-Fundamentals-and-Processes
2. [2]ASTM International. Steel Metallurgy & Heat Treatment course outline. ASTM International course outline, 2024. https://store.astm.org/astm-tpt-727.html
3. [3]ASM International. Fundamentals of the Heat Treating of Steel. ASM technical monograph, 2024. https://dl.asminternational.org/technical-books/monograph/99/chapter-abstract/2112447/Fundamentals-of-the-Heat-Treating-of-Steel
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 17663:2023. International standard, 2023. https://www.iso.org/standard/83142.html
5. [5]ASM International. Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treatment. ASM Handbook chapter, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/49/chapter-abstract/608501/Basic-Principles-and-Design-Guidelines-for-Heat
6. [6]Elsevier. Steel and Its Heat Treatment. Technical reference, 1984. https://www.sciencedirect.com/book/9780408014243/steel-and-its-heat-treatment