Resposta ao revenimento do aço e endurecimento secundário

O que o revenimento modifica no aço

Definição abaixo da temperatura crítica inferior

A ASM International define o revenimento como “o aquecimento de aço temperado ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior” (ASM Handbook Volume 4A, 2024). Essa definição é mais precisa do que a descrição comum do revenimento como o reaquecimento do aço para torná-lo mais macio. O revenimento ocorre após um tratamento de têmpera e também pode ocorrer após a normalização. O aço é reaquecido, mantido durante um tempo determinado e resfriado sob condições controladas, sem ultrapassar intencionalmente a temperatura crítica inferior nem formar uma nova estrutura austenítica em todo o volume.

A temperatura crítica inferior é comumente associada à faixa de transformação eutetoide, embora sua posição precisa dependa da composição e das condições de aquecimento. Permanecer abaixo dela é importante porque o revenimento modifica a estrutura produzida pela têmpera, em vez de substituí-la por meio de uma reaustenitização completa. Portanto, um ciclo de revenimento tem uma finalidade metalúrgica diferente da normalização, do recozimento ou de uma segunda operação de têmpera.

As principais variáveis são a temperatura de revenimento, o tempo de permanência, o teor de carbono, o teor de elementos de liga e os elementos residuais. A microestrutura inicial também é importante. O mesmo se aplica à temperatura de austenitização, ao histórico anterior de normalização ou forjamento, à severidade da têmpera, ao tamanho da seção e à taxa de aquecimento. Assim, dois componentes produzidos a partir de aços nominalmente semelhantes podem apresentar respostas diferentes quando seus históricos térmicos diferem.

A temperatura normalmente acelera as reações de forma mais intensa do que o tempo isoladamente, mas o tempo ainda controla até que ponto essas reações prosseguem. O teor de carbono afeta a quantidade e o grau de supersaturação do carbono retido na martensita no estado temperado. Cromo, molibdênio, vanádio, tungstênio e outros elementos de liga alteram a estabilidade dos carbonetos, as taxas de difusão e o comportamento de precipitação. Os elementos residuais podem modificar a cinética de transformação e a resistência ao revenimento, mesmo quando não são adições intencionais. O revenimento é um tratamento dependente da trajetória térmica, não um único ajuste de dureza.

Da martensita no estado temperado à microestrutura revenida

Martensita após a têmperaMartensita após a têmpera Uma fase dura e supersaturada de carbono, formada pelo resfriamento rápido da austenita, com alta densidade de discordâncias e energia interna armazenada.

A martensita no estado temperado é uma fase supersaturada e tensionada. Sua alta densidade de discordâncias e a supersaturação de carbono explicam grande parte de sua dureza, mas também armazenam energia elástica e química. O revenimento permite que a estrutura reduza essa energia por meio de várias reações sobrepostas. O U.S. Department of Energy descreve a difusão do carbono, a formação de carbonetos, a decomposição da austenita e a recuperação como partes centrais do processo (2010).

Em temperaturas de revenimento relativamente baixas, o carbono percorre pequenas distâncias e pode segregar-se em defeitos ou formar carbonetos de transição. As tensões internas diminuem, e a tetragonalidade da martensita é reduzida à medida que o carbono deixa a rede martensítica. O aço pode perder parte da dureza, ao mesmo tempo que ganha estabilidade dimensional e resistência à formação retardada de trincas. A austenita retida, quando presente, também pode decompor-se durante estágios subsequentes de revenimento, produzindo novos produtos de transformação que afetam tanto as dimensões quanto as propriedades mecânicas.

Com temperaturas mais altas ou tempos de permanência mais longos, as partículas de carboneto se tornam mais grosseiras ou se transformam em compostos mais estáveis, enquanto a matriz ferrítica se recupera e perde parte de seu endurecimento por discordâncias. Essas mudanças normalmente reduzem a dureza e o limite de escoamento, mas aumentam a tenacidade e a ductilidade. O resultado é a martensita revenida: uma matriz ferrítica contendo uma distribuição de partículas de carboneto, cuja distribuição é determinada pela composição e pelo histórico do tratamento, e não apenas pela temperatura.

Aços-ferramenta de alta liga podem desenvolver endurecimento secundário durante o revenimento por meio da precipitação fina de carbonetos de liga. Strong evidence

Endurecimento secundárioEndurecimento secundário Aumento da dureza durante o revenimento causado pela precipitação de carbonetos finos de liga após reações de amolecimento iniciais.

Os aços-ferramenta de alta liga constituem uma exceção importante ao simples amolecimento. A ASM International afirma que o endurecimento secundário é produzido pela precipitação de carbonetos finos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, ao vanádio e ao tungstênio (2024). Durante o revenimento, essas partículas podem fortalecer a matriz o suficiente para produzir um aumento da dureza após um declínio inicial. Esse efeito é chamado de endurecimento secundário, e uma precipitação mais intensa geralmente proporciona maior resistência ao revenimento.

O National Institute of Standards and Technology relatou, em 1930, que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Essa constatação relaciona o pico não apenas à temperatura de revenimento, mas também ao ciclo de têmpera anterior. Um grau mais elevado de austenitização pode dissolver mais elementos de liga e carbono na austenita antes da têmpera, modificando a composição disponível para a precipitação posterior. Consequentemente, o mesmo ciclo nominal de revenimento pode produzir curvas de dureza diferentes após tratamentos de austenitização distintos.

O aço-ferramenta H13 ilustra por que o histórico de aquecimento deve ser considerado. Um estudo revisado por pares registrou um método para prever a resposta ao revenimento do H13 em ciclos isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, incluindo o comportamento de endurecimento secundário (registro de publicação da University of Arizona, 2013). Um componente aquecido continuamente através de uma faixa de precipitação não necessariamente sofre as mesmas reações que um componente mantido isotermicamente nessa temperatura. A resposta calculada de dureza pode diferir mesmo quando a temperatura nominal final é idêntica.

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe abordaram o problema tempo-temperatura em 1945 ao formular uma relação entre o tempo de revenimento, a temperatura e a composição do aço temperado. A expressão de Hollomon-Jaffe é comumente escrita como:

T(log t + c)

Aqui, T é a temperatura absoluta, t é o tempo de revenimento e c é uma constante dependente da composição e da condição. A expressão fornece um parâmetro de revenimento para comparar exposições e quantificar o grau de revenimento da martensita. Ela é útil porque permite combinar temperatura e tempo em um único índice, mas um parâmetro equivalente não elimina as diferenças na taxa de aquecimento, na microestrutura inicial, na austenitização, no tamanho da seção ou na resposta da liga.

O ASM Handbook Volume 4C observa que as correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman podem representar condições equivalentes de tempo e temperatura na avaliação de aços endurecidos por indução (ASM International, 2024). Essa concordância diz respeito à correlação, e não constitui prova de que toda trajetória térmica produza a mesma microestrutura. A distinção é importante em peças endurecidas superficialmente, nas quais um gradiente acentuado de temperatura e a variação da temperatura ao longo da seção podem tornar não uniforme o histórico real de revenimento.

Por que a dureza não é a única variável de resposta

A dureza é conveniente de medir, mas é apenas um dos resultados do revenimento. A resistência pode diminuir à medida que a deformação martensítica e a densidade de discordâncias se reduzem, e depois aumentar localmente quando precipitam carbonetos finos de liga. A tenacidade pode melhorar porque as tensões internas são aliviadas; no entanto, a decomposição da austenita retida, a morfologia dos carbonetos ou as faixas de temperatura que promovem fragilização podem reduzir a tenacidade em determinados aços. A estabilidade dimensional pode melhorar por meio do alívio de tensões, enquanto a transformação da austenita retida pode causar uma expansão mensurável.

A microestrutura fornece a explicação para essas tendências concorrentes. A difusão do carbono, a recuperação, a precipitação de carbonetos, a decomposição da austenita retida e o engrossamento das partículas podem ocorrer em sequência ou sobrepor-se. A estrutura final controla o comportamento em fadiga, a resistência ao desgaste, a resistência à fratura e a resistência a exposições térmicas subsequentes, e não apenas o valor de indentação obtido em um ensaio de dureza.

Um estudo de 2013 sobre aços para matrizes de forjamento a quente e a morno utilizou o parâmetro de revenimento — também chamado de parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para correlacionar a exposição tempo-temperatura com a variação da dureza. Essas correlações são práticas para descrever determinado tipo de aço e determinada faixa de tratamento. Elas não são leis universais de dureza. O tipo de aço, a condição inicial e o histórico do tratamento continuam sendo decisivos; por isso, o revenimento deve ser especificado como uma trajetória térmica e uma microestrutura resultante, e não simplesmente como “amolecimento”.

As Variáveis que Controlam a Resposta ao Revenimento

O revenimento não é definido apenas pelo setpoint do forno. A ASM International afirma no ASM Handbook Volume 4A (2024): “Revenimento é o aquecimento de aço endurecido ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior.” Essa definição identifica uma trajetória de transformação, não uma operação única. A temperatura, o tempo, o teor de carbono, o teor de elementos de liga e os elementos residuais influenciam a microestrutura e as propriedades resultantes. A taxa de aquecimento, a temperatura efetivamente atingida pelo próprio aço, o tratamento de austenitização anterior e a têmpera também são importantes.

Temperatura e duração

Durante o revenimento, o carbono se difunde a partir da martensita supersaturada, os carbonetos se formam ou têm sua composição alterada, a austenita retida pode se decompor e a estrutura martensítica sofre recuperação. O U.S. Department of Energy descreve o processo por meio dessas reações interligadas de difusão, precipitação, decomposição e recuperação, e não como um simples amolecimento induzido pelo calor. Em temperaturas relativamente baixas, a segregação de carbono e a precipitação de carbonetos de transição podem reduzir as tensões internas, preservando uma dureza substancial. Com o aumento da temperatura ou do tempo de permanência, o coalescimento dos carbonetos, a recuperação da ferrita e transformações adicionais geralmente reduzem a dureza e a resistência.

A palavra “geralmente” é importante. Em aços-ferramenta de alta liga, a dureza pode aumentar após uma redução inicial. A ASM International relatou em 2024 que o endurecimento secundário é produzido pela precipitação de carbonetos finos de elementos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, vanádio e tungstênio. Primeiro, o aço deve conter uma quantidade suficiente de elementos de liga e carbono dissolvidos, e o tratamento de austenitização anterior deve colocar esses elementos em uma condição que permita a precipitação. Uma precipitação mais intensa produz maior resistência ao revenimento, mas o pico e sua magnitude dependem do tipo de aço e do histórico metalúrgico; não existe uma temperatura universal de endurecimento secundário.

A duração altera o resultado mesmo quando a temperatura nominal é idêntica. Uma exposição curta pode produzir precipitação ou recuperação incompletas, enquanto uma permanência mais longa permite que as reações controladas por difusão avancem mais. Ciclos repetidos de revenimento acrescentam outro componente ao histórico: o primeiro ciclo pode transformar a austenita retida ou alterar a população de sítios de nucleação, de modo que o segundo ciclo não atua sobre a martensita original.

A temperatura do forno também não é necessariamente a temperatura da peça. Um corpo de prova pequeno pode se aproximar rapidamente do setpoint, enquanto uma matriz, um eixo ou uma chapa de grandes dimensões desenvolve gradientes térmicos ao longo de sua seção. Um ciclo de aquecimento rápido pode expor a superfície à temperatura nominal de revenimento antes que o núcleo a alcance. Por outro lado, uma rampa lenta permite que as reações comecem continuamente em cada temperatura intermediária. Portanto, “540 °C por duas horas” é uma especificação incompleta, a menos que o ciclo informe como a peça foi aquecida, quando começou o tempo de permanência e se a temperatura indicada foi medida no forno ou no aço.

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe abordaram esse problema em seu artigo de 1945 publicado em Metals Technology, relacionando o tempo de revenimento, a temperatura e a composição com a estrutura e as propriedades do aço temperado. A expressão de Hollomon-Jaffe é comumente escrita como:

$$P=T(\log t+c)$$

em que $T$ é a temperatura absoluta, $t$ é o tempo e $c$ é uma constante dependente da composição e do material. O U.S. Department of Energy descreve esse parâmetro como uma forma de quantificar o grau de revenimento da martensita. Ele é útil para comparar exposições, mas um parâmetro equivalente não elimina as diferenças na taxa de aquecimento, na microestrutura anterior, na austenitização, no tamanho da seção ou na resposta da liga. Dois ciclos podem ter o mesmo $P$ calculado e, ainda assim, produzir perfis de dureza diferentes.

Carbono, elementos de liga e elementos residuais

O carbono controla a quantidade e a supersaturação da martensita formada durante a têmpera; por isso, o teor nominal de carbono afeta fortemente a dureza inicial e a quantidade de carbono disponível para as reações de revenimento. Uma quantidade maior de carbono pode favorecer a formação de martensita mais dura e de uma reserva maior de elementos formadores de carbonetos, embora a resposta final também dependa da estabilidade da austenita e do carbono dissolvido antes da têmpera. O carbono retido em carbonetos não dissolvidos não é equivalente ao carbono dissolvido na austenita.

O cromo, o molibdênio, o vanádio e o tungstênio alteram a estabilidade dos carbonetos, a difusão e a cinética de precipitação. O cromo pode aumentar a temperabilidade e contribuir para a formação de carbonetos estáveis; o molibdênio, o vanádio e o tungstênio podem favorecer a precipitação de carbonetos finos de elementos de liga durante o endurecimento secundário. Esses elementos podem retardar o amolecimento em temperaturas elevadas de revenimento, mas seu efeito depende da dissolução durante a austenitização e do tamanho e da distribuição dos carbonetos existentes. Uma austenitização excessiva pode dissolver uma quantidade maior de carbonetos e enriquecer a austenita, enquanto uma austenitização insuficiente pode deixar os elementos de liga indisponíveis para a precipitação posterior.

No aço rápido estudado pelo NIST, a intensidade do pico de endurecimento secundário aumentou com o grau de austenitização. Strong evidence

O estudo do NIST sobre aço rápido, publicado em 1930, afirmou que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Esse resultado é um alerta direto contra a atribuição de uma única curva fixa de revenimento a um tipo nominal de aço. Uma austenitização mais intensa pode alterar os teores de carbono e de elementos de liga em solução, a quantidade de austenita retida, a composição da martensita e o potencial de precipitação. Ela também pode aumentar o tamanho dos grãos de austenita prévia, o que afeta o comportamento de transformação e a tenacidade.

Os elementos residuais e o histórico de fabricação acrescentam variáveis menores, mas às vezes importantes. O silício, o manganês, o níquel, o cobre, o fósforo, o enxofre, o nitrogênio, o oxigênio e as adições residuais podem influenciar as reações dos carbonetos, a austenita retida, a segregação e a fragilização por revenimento. As tensões residuais e a deformação anterior alteram os sítios de nucleação e as taxas de recuperação. Assim, dois corpos de prova certificados segundo o mesmo tipo nominal de aço podem diferir porque suas corridas, distribuições de carbonetos ou reduções de forjamento são diferentes, mesmo antes do início do tratamento térmico.

Um aço-ferramenta de alta liga ilustra esse ponto de forma clara. O revenimento convencional amolece a martensita não revenida à medida que o carbono deixa os sítios supersaturados e a recuperação avança. O endurecimento secundário inverte a tendência da dureza em parte do ciclo porque os carbonetos finos de elementos de liga proporcionam endurecimento por precipitação e restringem a recuperação. O pico posterior não é uma evidência de que o revenimento tenha parado; é uma evidência de que as reações concorrentes se alteraram e de que outra reação passou a controlar a dureza.

Condição inicial, severidade da têmpera e tamanho da seção

A estrutura temperada é a condição inicial para o revenimento. O tamanho dos grãos de austenita, o carbono dissolvido, os carbonetos não dissolvidos, a austenita retida, a morfologia da martensita e as tensões de têmpera influenciam a resposta subsequente. Um corpo de prova temperado com rapidez suficiente para formar predominantemente martensita não sofrerá revenimento da mesma forma que um corpo contendo bainita ou perlita. Da mesma forma, o centro de uma seção espessa necessariamente não apresentará o mesmo comportamento que sua superfície.

A severidade da têmpera determina a taxa de resfriamento e, consequentemente, os produtos de transformação. A têmpera em água, polímero, óleo e gás produz históricos de resfriamento diferentes, e até mesmo um único meio de têmpera pode gerar resultados distintos com alterações na agitação, na temperatura e na carga. Uma seção grande resfria lentamente em seu núcleo, permitindo a formação de bainita, perlita ou austenita retida onde um corpo de prova pequeno forma martensita. Durante o revenimento, essas regiões passam então por reações diferentes e podem atingir valores de dureza distintos.

O tamanho da seção também altera o atraso térmico durante a austenitização e o revenimento. A superfície pode ultrapassar a temperatura-alvo enquanto o núcleo ainda está aquecendo, criando um gradiente radial de revenimento. Se o controlador inicia o tempo de permanência quando o forno atinge o setpoint, o centro recebe menos tempo na temperatura do que o ciclo sugere. Se um termopar for colocado na superfície, o histórico registrado poderá superestimar a exposição do interior.

O aço-ferramenta H13 pode apresentar diferentes respostas previstas de dureza sob ciclos de revenimento isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, incluindo comportamento de endurecimento secundário. Limited evidence

Um estudo revisado por pares de 2013 sobre o aço-ferramenta H13 modelou ciclos de revenimento isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, e previu respostas de dureza diferentes, incluindo o comportamento de endurecimento secundário. Essa constatação respalda o tratamento do revenimento como um histórico térmico contínuo. O ASM Handbook Volume 4C (2024) também compara as correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman para aços endurecidos por indução como formas de representar condições equivalentes de tempo e temperatura, e não como substitutos da medição do processo real.

Um estudo de 2013 publicado no Journal of Materials Processing Technology sobre aços para matrizes de forjamento a quente e a morno utilizou o parâmetro de revenimento — também chamado de parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para correlacionar a exposição a tempo e temperatura com a variação da dureza. Essas correlações são valiosas para a comparação de processos, mas continuam sendo descrições empíricas de um aço específico e de uma condição inicial específica. O mesmo rótulo de temperatura nominal pode descrever tratamentos metalúrgicos diferentes quando a taxa de aquecimento, o tamanho da seção, a austenitização, a têmpera ou o revenimento anterior são alterados.

Mecanismos do Revenimento: Difusão, Decomposição e Recuperação

A ASM International define o revenimento como “o aquecimento de aço endurecido ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior” (ASM Handbook Volume 4A, 2024). Essa definição identifica a janela de tratamento, não uma única reação. A microestrutura e as propriedades resultantes dependem da temperatura e do tempo de revenimento, do teor de carbono, do teor de elementos de liga, dos elementos residuais, da austenitização prévia, da condição de têmpera e do histórico de aquecimento. Portanto, um aço temperado pode amolecer, reter grande parte de sua dureza ou desenvolver um aumento posterior de dureza à medida que sua matriz martensítica supersaturada se transforma.

O U.S. Department of Energy descreve o revenimento como uma sequência que envolve difusão de carbono, formação de carbonetos, decomposição da austenita retida e recuperação. Esses eventos se sobrepõem, em vez de ocorrerem como quatro etapas perfeitamente separadas. Suas velocidades e importância relativa variam conforme a composição e o caminho térmico. “Revenimento em baixa temperatura”, “revenimento em temperatura intermediária” e “revenimento em alta temperatura” são descrições úteis do processo, mas não identificam um conjunto universal de reações. Um aço-ferramenta de alta liga e um aço martensítico de carbono comum podem responder de maneiras muito diferentes à mesma temperatura nominal.

Difusão de carbono e revenimento em estágio inicial

A martensita recém-formada é uma fase supersaturada e tensionada. O carbono ocupa sítios intersticiais que não estão em equilíbrio com a rede martensítica tetragonal de corpo centrado, enquanto a têmpera gerou uma densidade substancial de discordâncias e tensão residual. Durante a primeira parte do revenimento, o carbono percorre pequenas distâncias em direção a sítios mais favoráveis: discordâncias, contornos de ripas, regiões autorrevenidas e partículas de carboneto de ferro em formação. Essa redistribuição reduz a tetragonalidade da rede e diminui as tensões elásticas e de distorção associadas à condição temperada.

A reação inicial não consiste simplesmente na “remoção da dureza”. A segregação de carbono pode estabilizar configurações locais antes que se desenvolva uma população reconhecível de carbonetos, e a extensão do alívio de tensões depende da temperatura, do tempo e da taxa de aquecimento. Um componente aquecido lentamente começa a se transformar enquanto seu núcleo e sua superfície ainda estão em temperaturas diferentes. Um componente aquecido rapidamente pode atravessar a mesma faixa de temperatura nominal antes que a difusão tenha produzido a mesma distribuição de carbono. A espessura da seção é importante pelo mesmo motivo.

Em martensitas de carbono comum e de baixa liga, carbonetos de transição podem se formar antes do desenvolvimento de cementita mais estável. A sequência exata depende do teor de carbono, das adições de elementos de liga e da morfologia inicial da martensita. Algumas martensitas de baixo carbono contêm menos carbono supersaturado e podem apresentar uma reação inicial mais fraca; martensitas de maior teor de carbono podem apresentar maior tetragonalidade e alívio inicial de tensões mais intenso. Essas diferenças explicam por que um rótulo de temperatura não pode substituir uma descrição baseada em mecanismos.

O método de Hollomon-Jaffe, formulado por J. H. Hollomon e L. D. Jaffe em 1945, relaciona o tempo de revenimento, a temperatura e a composição à estrutura e às propriedades desenvolvidas no aço temperado. Sua forma familiar, $T(\log t+c)$, é usada para quantificar o grau de revenimento da martensita, com $T$ como temperatura absoluta, $t$ como tempo e $c$ como constante relacionada à composição. É uma ferramenta útil de comparação, não um cancelamento do histórico metalúrgico. Parâmetros iguais não garantem resultados iguais quando diferem a taxa de aquecimento, a microestrutura prévia, a austenitização, a espessura da seção ou a resposta da liga.

Formação e crescimento de carbonetos

À medida que o carbono deixa a martensita supersaturada, a precipitação de carbonetos se torna uma parte central da resposta ao revenimento. Em muitos aços, os produtos evoluem de carbonetos de transição finos para cementita mais estável, enquanto os elementos de liga podem retardar, alterar ou substituir essa sequência. A nucleação de carbonetos consome carbono e modifica a composição da matriz; o crescimento e o engrossamento reduzem os obstáculos disponíveis para as discordâncias. O amolecimento comum por revenimento geralmente ocorre quando a matriz perde a supersaturação e os precipitados se tornam maiores ou mais espaçados.

Aços-ferramenta de alta liga podem inverter essa tendência. A ASM International afirma que “o endurecimento secundário em aços-ferramenta de alta liga é produzido pela precipitação de carbonetos finos de elementos de liga”, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, vanádio e tungstênio (2024). Carbonetos finos de elementos de liga, com relações coerentes ou semicoerentes com a matriz, podem impedir o movimento das discordâncias com mais eficácia do que a cementita grosseira, produzindo um aumento de dureza durante um intervalo posterior de revenimento. Uma precipitação mais intensa geralmente proporciona maior resistência ao revenimento, embora o resultado dependa da quantidade de liga em solução, do ciclo de revenimento e da estabilidade da matriz.

A austenitização controla essa resposta porque determina quais carbonetos se dissolvem e quanto elemento de liga e carbono entram na austenita antes da têmpera. Um estudo de 1930 do National Institute of Standards and Technology sobre aço rápido relatou que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Essa observação não estabelece uma única temperatura de pico ou dureza fixa para todo aço rápido. Ela mostra que o estado inicial controla o potencial de precipitação.

O estudo revisado por pares de 2013 sobre o aço-ferramenta H13 é útil pelo mesmo motivo. Seu método prevê a dureza após ciclos de revenimento isotérmico, com aquecimento lento e com aquecimento rápido, incluindo o comportamento de endurecimento secundário. Esses ciclos podem produzir respostas de dureza previstas diferentes, mesmo quando suas faixas nominais de exposição se sobrepõem. Durante o aquecimento contínuo, a precipitação e a recuperação avançam enquanto a temperatura aumenta; um tratamento isotérmico proporciona às reações mais tempo em uma temperatura selecionada. Tratar ambos os ciclos como equivalentes apenas porque compartilham um parâmetro de revenimento calculado pode ocultar essas diferenças.

Decomposição da austenita retida e recuperação da matriz

A têmpera pode deixar austenita retida, especialmente quando as adições de elementos de liga reduzem as temperaturas de transformação ou quando a condição de austenitização dissolve quantidades substanciais de carbono e elementos de liga. Durante o revenimento, a austenita retida pode rejeitar carbono, transformar-se em produtos ferríticos e carbonetos ou tornar-se menos estável antes de se transformar durante o resfriamento. Sua decomposição pode alterar a estabilidade dimensional, a dureza e a tensão residual. O momento em que isso ocorre depende do tipo de aço, e a austenita retida não segue o mesmo caminho em todos os aços.

A recuperação da matriz ocorre paralelamente a essas reações. As discordâncias se rearranjam ou se aniquilam, as tensões nas ripas e placas diminuem e os campos locais de deformação se tornam menos intensos. A recuperação geralmente reduz a resistência e a dureza, mas a precipitação pode compensar ou superar essa perda em classes com endurecimento secundário. A propriedade final é, portanto, o equilíbrio entre o amolecimento da matriz, o alívio de tensões, a transformação da austenita retida, a precipitação de carbonetos e o engrossamento dos carbonetos.

O ASM Handbook Volume 4C compara as correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman como representações de condições equivalentes de tempo e temperatura para a avaliação de aços endurecidos por indução. Essas correlações são formas práticas de organizar dados, não uma prova de que dois históricos térmicos criem microestruturas idênticas. Um estudo sobre aço para matrizes de forjamento a quente ou morno, publicado no Journal of Materials Processing Technology em 2013, também utilizou o parâmetro de revenimento — igualmente denominado parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para correlacionar a exposição tempo-temperatura com a variação de dureza. Essas ferramentas descrevem tendências dentro de uma faixa definida de material e tratamento. Elas não fornecem valores universais de dureza nem alterações garantidas de propriedades, porque o tipo de aço, a condição inicial, a austenitização, o caminho de aquecimento e o histórico de resfriamento continuam fazendo parte do mecanismo de revenimento.

Endurecimento Secundário em Aços-Ferramenta de Alta Liga

Por que a dureza pode aumentar durante o revenimento

O revenimento não é definido simplesmente como um amolecimento. A ASM International afirma no ASM Handbook Volume 4A (2024): “O revenimento é o aquecimento de aço temperado ou normalizado até uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior.” A estrutura e as propriedades resultantes dependem da temperatura e do tempo de revenimento, do teor de carbono, do teor de elementos de liga, dos elementos residuais e da condição produzida pela têmpera ou pela normalização. Essas variáveis determinam quais reações ocorrem e até que ponto elas avançam.

Nos aços carbono simples e em muitos aços de baixa liga, o resultado usual é uma queda da dureza. A martensita temperada contém carbono supersaturado, alta densidade de discordâncias e tensões internas substanciais. Durante o revenimento, o carbono se difunde para fora da martensita, formam-se carbonetos de transição ou cementita, a austenita retida pode se decompor e a estrutura martensítica se recupera. O tratamento de revenimento apresentado pelo U.S. Department of Energy em 2010 descreve esses processos interligados como difusão de carbono, formação de carbonetos, decomposição da austenita e recuperação. Cada um deles geralmente reduz a energia de deformação armazenada e a resistência à deformação plástica.

Os aços-ferramenta de alta liga podem seguir um caminho diferente. À medida que a temperatura aumenta, os elementos de liga que permaneceram dissolvidos durante a têmpera podem se difundir por curtas distâncias e formar uma população densa de carbonetos de liga extremamente pequenos. Essas partículas dificultam o movimento das discordâncias. Se o efeito de endurecimento delas superar o amolecimento causado pela recuperação da martensita, a dureza medida aumenta durante o revenimento. Esse fenômeno é o endurecimento secundário.

A ASM International explica que “o endurecimento secundário em aços-ferramenta de alta liga é produzido pela precipitação de carbonetos de liga finos”, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, ao vanádio e ao tungstênio. A palavra finos é importante. Uma população grosseira de carbonetos não endurece a matriz com a mesma eficácia, porque as partículas ficam mais afastadas e oferecem menor resistência às discordâncias em movimento. Precipitados muito pequenos, distribuídos pela martensita revenida, produzem endurecimento por precipitação enquanto a matriz ainda passa por recuperação.

A resposta é, portanto, uma competição entre amolecimento e endurecimento. O revenimento inicial pode reduzir a dureza à medida que o carbono deixa a martensita. Em uma temperatura mais elevada, a precipitação de carbonetos de liga pode inverter essa tendência. Com uma exposição ainda mais elevada, os precipitados crescem, a matriz perde uma parcela maior de sua resistência martensítica e a dureza volta a cair. Nem todo grau apresenta um aumento expressivo, e uma curva de dureza pode conter reações sobrepostas, em vez de um único pico bem definido.

Carbonetos associados ao molibdênio, ao vanádio e ao tungstênio

O molibdênio, o vanádio e o tungstênio são centrais para o endurecimento secundário porque apresentam forte tendência à formação de carbonetos e se difundem da matriz do aço para os precipitados durante tratamentos de revenimento adequados. As fases exatas dependem da composição e do histórico térmico. Os carbonetos podem ser descritos por designações de estrutura cristalina ou de composição, como MC, M₂C, M₆C ou M₂₃C₆, nas quais M representa um ou mais elementos metálicos; essas designações não significam que todo aço forme todas as fases listadas.

O vanádio geralmente contribui para a formação de carbonetos MC muito estáveis e ricos em vanádio. Sua resistência à dissolução permite que permaneçam eficazes em temperaturas que provocariam o crescimento ou a dissolução de partículas menos estáveis. O molibdênio pode participar da precipitação fina do tipo M₂C e de populações mistas de carbonetos de liga. O tungstênio pode entrar em carbonetos do tipo M₆C ou em outros carbonetos mistos, dependendo do aço e do ciclo de revenimento. Nos aços rápidos, nos quais tungstênio, molibdênio, vanádio, cromo e carbono são combinados em teores substanciais, diversas famílias de carbonetos podem se formar sequencialmente ou simultaneamente.

A composição química da matriz antes do revenimento é crítica. A austenitização dissolve alguns carbonetos e enriquece a austenita com carbono e elementos de liga, enquanto os carbonetos não dissolvidos retêm outros elementos fora da matriz. A têmpera então produz martensita e, frequentemente, austenita retida. Uma temperatura de austenitização mais elevada ou um tempo de permanência mais longo pode dissolver uma quantidade maior de carbonetos, embora uma austenitização excessiva possa causar crescimento de grão e outros danos. O teor de elementos de liga dissolvidos disponível para precipitação posterior pode, consequentemente, alterar a resposta ao endurecimento secundário.

Um estudo do National Institute of Standards and Technology sobre aço rápido, publicado em 1930, relatou que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Essa observação não deve ser convertida em uma temperatura universal ou em um incremento universal de dureza. Uma austenitização mais intensa pode aumentar a quantidade de elementos de liga disponível para precipitação, mas também modifica o tamanho de grão, a austenita retida, a atividade do carbono e a quantidade de carbonetos não dissolvidos. A curva final reflete todas essas alterações.

Resistência ao revenimento e o pico de endurecimento secundário

Resistência ao revenimento significa manter a dureza, a resistência mecânica ou a estabilidade dimensional durante uma exposição térmica especificada. A precipitação fina de carbonetos de liga aumenta a resistência ao revenimento porque os precipitados se opõem ao movimento das discordâncias e retardam a perda da resistência martensítica. Um aço com endurecimento secundário pronunciado pode apresentar pouco amolecimento em um intervalo de temperatura no qual um aço carbono simples perderia dureza rapidamente. Isso não significa que ele seja imune ao revenimento; a exposição contínua acaba permitindo a recuperação, o crescimento dos carbonetos, a transformação da austenita retida e outras reações de amolecimento.

A posição e a magnitude do pico dependem do grau e do histórico. Não podem ser indicadas responsavelmente como valores fixos sem especificar o aço, a dureza inicial, o tratamento de austenitização, a têmpera, o tempo de revenimento, a taxa de aquecimento, o método de resfriamento e o ensaio de dureza. O AISI H13, por exemplo, pode apresentar uma resposta diferente da de um aço rápido rico em tungstênio, porque seu equilíbrio de elementos de liga e sua população de carbonetos são diferentes. Até mesmo dois corpos de prova de H13 podem produzir curvas diferentes após tratamentos distintos de austenitização ou têmpera.

O método de J. H. Hollomon e L. D. Jaffe, de 1945, relaciona o tempo de revenimento, a temperatura e a composição com a estrutura e as propriedades desenvolvidas no aço temperado. Sua forma conhecida é o parâmetro de revenimento:

$$P=T(\log t+c)$$

Aqui, T é a temperatura absoluta, t é o tempo e c é uma constante dependente da composição e da resposta. O U.S. Department of Energy descreve essa expressão como uma forma de quantificar o grau de revenimento da martensita. Ela é útil para comparar exposições e ajustar dados de dureza, mas um parâmetro igual não elimina as diferenças na taxa de aquecimento, na microestrutura anterior, na austenitização, no tamanho da seção ou na resposta da liga.

Essa limitação é especialmente importante no processamento não isotérmico. O estudo revisado por pares de 2013 sobre o aço-ferramenta H13 examinou ciclos de revenimento isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, e desenvolveu um método que previu diferentes respostas de dureza, incluindo o comportamento de endurecimento secundário. Uma seção aquecida rapidamente pode atravessar faixas de precipitação antes que a difusão e o crescimento dos carbonetos correspondam ao pressuposto isotérmico. Os gradientes de temperatura também fazem com que a superfície e o núcleo experimentem trajetórias térmicas diferentes.

O ASM Handbook Volume 4C (2024) compara as correlações de Hollomon-Jaffe e de Grange-Baughman para aços endurecidos por indução, tratando-as como formas de representar condições equivalentes de tempo e temperatura para avaliar a resposta ao revenimento. “Equivalente” significa equivalente dentro da correlação e da faixa de materiais testadas, e não uma história microestrutural idêntica.

Um estudo de 2013 do Journal of Materials Processing Technology sobre aços para matrizes de forjamento a quente e a morno também utilizou o parâmetro de revenimento — igualmente denominado parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para correlacionar a exposição tempo-temperatura com a variação da dureza. Essas correlações são ferramentas valiosas de processo, mas descrevem o comportamento medido para aços e tratamentos especificados. Elas não estabelecem um pico universal de endurecimento secundário. Nos aços-ferramenta de alta liga, o revenimento continua sendo uma sequência de reações concorrentes de difusão, precipitação, transformação e recuperação.

A Austenitização como Fator do Endurecimento Secundário

A austenitização não é simplesmente uma etapa preliminar de aquecimento antes da têmpera. Ela estabelece a condição química e estrutural a partir da qual a martensita se forma, e essa condição determina como o aço responderá durante o revenimento. O ASM Handbook, Volume 4A, define o revenimento como “o aquecimento de aço temperado ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior”. A microestrutura resultante depende da temperatura e do tempo de revenimento, do teor de carbono, do teor de elementos de liga e dos elementos residuais. Essas variáveis atuam sobre uma condição prévia estabelecida pela austenitização, pela dissolução, pelo crescimento de grão e pela têmpera.

Dissolução dos elementos de liga antes da têmpera

Durante a austenitização, alguns carbonetos se dissolvem na austenita, enquanto outros permanecem não dissolvidos. A temperatura, o tempo de permanência, a taxa de aquecimento e a população original de carbonetos determinam esse equilíbrio. O carbono e elementos de liga substitucionais, como cromo, molibdênio, tungstênio e vanádio, não entram em solução em taxas idênticas; assim, a austenita pode sair do forno com teores de soluto muito diferentes, mesmo quando dois tratamentos utilizam o mesmo grau nominal de aço.

Esse material dissolvido é importante após a têmpera. Uma quantidade maior de carbono e de elementos de liga na austenita pode produzir uma matriz martensítica mais supersaturada. Durante o revenimento, a difusão do carbono, a formação de carbonetos, a decomposição da austenita retida e a recuperação reduzem progressivamente a energia armazenada e a instabilidade química dessa estrutura. O U.S. Department of Energy descreve esses processos como partes centrais do revenimento, mas eles não ocorrem na mesma velocidade em todos os aços nem a partir de todas as condições de austenitização.

Os aços-ferramenta de alta liga acrescentam outra possibilidade: o endurecimento secundário. A ASM International afirma, em sua descrição de 2024, que “o endurecimento secundário em aços-ferramenta de alta liga é produzido pela precipitação de carbonetos finos de elementos de liga”, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, ao vanádio e ao tungstênio. Se a matriz temperada contiver quantidade suficiente de elementos de liga dissolvidos, o revenimento poderá produzir uma dispersão densa de carbonetos finos e resistentes. A precipitação desses carbonetos pode compensar, ou temporariamente superar, o amolecimento causado pelo revenimento da martensita. Por isso, a dureza não precisa diminuir monotonicamente à medida que a temperatura de revenimento aumenta.

A austenitização também controla o que permanece fora da matriz. Carbonetos primários não dissolvidos podem restringir o crescimento dos grãos de austenita e reter elementos de liga que, de outro modo, contribuiriam para a precipitação secundária. A quantidade de austenita retida pode aumentar quando a austenita contém mais carbono e elementos de liga dissolvidos, porque sua temperatura de início da transformação em martensita é reduzida. Durante o revenimento subsequente, essa austenita retida pode se decompor ou se transformar, acrescentando uma alteração de dureza independente às reações de precipitação e recuperação.

Resultados do NIST em aço rápido

Um artigo do National Institute of Standards and Technology, publicado em 1930, fornece uma relação direta entre austenitização e endurecimento secundário em aço rápido. Sua conclusão declarada é que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Nesse contexto, o grau de austenitização refere-se ao quanto o tratamento térmico dissolveu os constituintes carbonetados e enriqueceu a austenita antes da têmpera, e não simplesmente à temperatura do forno indicada em uma ficha de especificação.

A lógica metalúrgica é clara. Uma dissolução mais completa pode introduzir uma quantidade maior de elementos formadores de carbonetos na martensita supersaturada. Durante o revenimento, essa matriz apresenta maior potencial para a precipitação de carbonetos finos ricos em molibdênio, tungstênio ou vanádio. A precipitação resultante fortalece a matriz e aumenta a resistência ao amolecimento durante o revenimento. A observação do NIST, portanto, relaciona a intensidade da resposta de endurecimento secundário à condição inicial de soluto do aço temperado.

Isso não estabelece uma instrução universal para elevar a temperatura de austenitização. O aquecimento excessivo pode aumentar o tamanho dos grãos de austenita prévia, elevar a quantidade de austenita retida, promover descarbonetação ou superaquecimento e alterar a sensibilidade à formação de trincas de têmpera. Também pode dissolver carbonetos cuja fração não dissolvida era necessária para o controle de grão. Um tamanho de grão maior pode modificar a temperabilidade e o comportamento à fratura, mesmo quando a dureza final parece aceitável. Assim, a resposta pode se tornar menos útil apesar de uma dissolução nominal maior dos elementos de liga.

A austenitização insuficiente cria o problema oposto. Carbonetos de elementos de liga não dissolvidos podem deixar pouco carbono e poucos elementos de liga na austenita para atingir a dureza martensítica ou a resposta de precipitação secundária pretendida. A dissolução incompleta também pode produzir segregação química entre regiões da matriz e regiões ricas em carbonetos. A têmpera então gera uma estrutura menos uniforme, e o revenimento não consegue corrigir completamente essa condição inicial.

O compromisso entre austenitização e resposta final

A resposta final é resultado do histórico do processo, e não do efeito de uma única temperatura. O método de J. H. Hollomon e L. D. Jaffe, de 1945, relaciona o tempo de revenimento, a temperatura e a composição por meio de um parâmetro de revenimento geralmente escrito como T(log t + c), utilizado para quantificar o grau de revenimento da martensita. O parâmetro é útil para comparar exposições, mas um valor equivalente não elimina as diferenças na taxa de aquecimento, na microestrutura prévia, na austenitização, no tamanho da seção, na austenita retida ou na precipitação específica da liga.

Um estudo revisado por pares de 2013 sobre o aço-ferramenta H13 demonstrou essa limitação ao tratar separadamente ciclos isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido. As respostas de dureza previstas foram diferentes, e os cálculos incluíram o comportamento de endurecimento secundário. Uma seção aquecida rapidamente não passa o mesmo tempo atravessando as faixas de transformação e precipitação que uma seção revenida isotermicamente; portanto, descrições com a mesma temperatura máxima nominal e o mesmo tempo de permanência podem ocultar reações diferentes.[1][1] Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM International. ASM Handbook Volume 4C, 2024.

O ASM Handbook, Volume 4C, também compara as correlações de Hollomon-Jaffe e de Grange-Baughman para aços endurecidos por indução. Ambas representam condições equivalentes de tempo e temperatura para avaliar a resposta ao revenimento, mas sua utilidade depende do ciclo térmico e da condição do material utilizados para estabelecer a correlação. O estudo sobre aços para matrizes de forjamento a quente e a morno, publicado no Journal of Materials Processing Technology em 2013, utilizou o parâmetro de revenimento — também denominado parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para correlacionar a exposição a tempo e temperatura com a alteração da dureza. Essas correlações organizam os dados; elas não fornecem valores fixos de dureza nem alterações garantidas de propriedades entre diferentes graus de aço.

A austenitização deve, portanto, ser selecionada de modo a equilibrar a dissolução, o controle de grão, o gerenciamento da austenita retida, a resposta à têmpera e a sequência de precipitação desejada. O resultado do NIST sustenta um pico mais intenso de endurecimento secundário com maior grau de austenitização no aço rápido estudado. Ele não torna a dissolução máxima o objetivo geral. O alvo adequado é a estrutura inicial que produza a resposta final necessária após o histórico completo de têmpera e revenimento.

Equivalência Tempo-Temperatura e o Parâmetro de Hollomon-Jaffe

A formulação de Hollomon e Jaffe de 1945

O revenimento não é definido simplesmente como “amolecimento após a têmpera”. O ASM Handbook, Volume 4A, define-o como “o aquecimento de aço temperado ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior” (ASM International, 2024). Durante esse tratamento, o carbono se difunde para fora da martensita supersaturada, podem se formar carbonetos de transição e cementita, a austenita retida pode se decompor e a estrutura martensítica sofre recuperação. A dureza e a tenacidade finais dependem da temperatura e do tempo, mas também do teor de carbono, das adições de elementos de liga, dos elementos residuais, da austenitização prévia e da estrutura produzida pela têmpera.[2][2] Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Metals Technology, 1945.

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe abordaram a necessidade de comparar tratamentos de revenimento em seu artigo de 1945, “Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel”, publicado em Metals Technology. O método relacionava o tempo e a temperatura de revenimento, além da composição, à estrutura e às propriedades desenvolvidas no aço temperado. O problema prático era direto: um aço revenido por um período curto a uma temperatura elevada poderia atingir uma condição semelhante à de outro mantido por muito mais tempo a uma temperatura mais baixa. Uma única temperatura de revenimento não poderia descrever ambos os tratamentos.

Sua relação empírica é comumente escrita como

$$P=T({\log }_{10}t+C)$$

em que $P$ é o parâmetro de revenimento de Hollomon-Jaffe, $T$ é a temperatura absoluta em kelvins, $t$ é o tempo de revenimento e $C$ é uma constante dependente da composição e da reação. Em muitos cálculos de engenharia, atribui-se a $C$ um valor próximo de 20, mas esse número é uma convenção, e não uma constante do material compartilhada por todos os graus e todas as reações. A unidade de tempo também deve ser especificada, pois a conversão de horas para segundos altera o termo logarítmico e, consequentemente, o valor numérico do parâmetro.

A relação é empírica. Hollomon e Jaffe não estabeleceram uma lei termodinâmica universal que torne todos os tratamentos de revenimento intercambiáveis. Eles forneceram uma correlação útil para conjuntos de dados nos quais são comparados o mesmo aço, a mesma condição inicial e o mesmo mecanismo de revenimento dominante. O parâmetro comprime duas variáveis em um único índice, permitindo que dureza, resistência à tração ou outra propriedade medida seja representada graficamente em função de uma medida comum de exposição.

Significado de $T(\log t+c)$

O termo de temperatura confere ao parâmetro sua forte sensibilidade à exposição térmica. Ele deve ser expresso em uma escala absoluta, normalmente em kelvins, porque a relação se destina a refletir a dependência da temperatura de reações controladas por difusão. O logaritmo do tempo representa retornos decrescentes decorrentes da extensão do período de manutenção: aumentar um tratamento de 1 para 10 horas altera ${\log }_{10}t$ em uma unidade, enquanto aumentá-lo de 100 para 110 horas produz apenas uma pequena alteração.

A constante $c$, frequentemente escrita como $C$, ajusta a relação ao aço e à resposta ao revenimento que está sendo ajustada. Às vezes, ela é descrita como uma constante relacionada à composição, pois o carbono e o teor de elementos de liga alteram a difusão, a estabilidade dos carbonetos, a cinética de precipitação e a resistência à recuperação. Na prática, porém, o valor ajustado também pode incorporar convenções experimentais, incluindo a faixa de propriedades selecionada, as unidades de tempo e o mecanismo de reação representado pelos dados. Tratar $C=20$ como uma lei universal pode transmitir uma impressão enganosa de precisão.

Para aços-carbono comuns e aços de baixa liga, o parâmetro frequentemente apresenta correlação razoável com o amolecimento progressivo causado pelo revenimento em uma faixa restrita de temperatura e tempo. A sequência física pode incluir redistribuição do carbono, formação de carbonetos de ferro, decomposição da austenita retida e recuperação da estrutura de discordâncias. O U.S. Department of Energy descreve $T(\log t+c)$ como uma medida do grau de revenimento da martensita, mas essa interpretação não significa que todos os eventos microestruturais avancem à mesma taxa.

O mesmo parâmetro também pode descrever um aumento de dureza. Em aços-ferramenta de alta liga, o revenimento pode causar endurecimento secundário, em vez de amolecimento contínuo. A ASM International atribui o endurecimento secundário à precipitação de carbonetos finos de elementos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, vanádio e tungstênio. Uma precipitação mais intensa pode aumentar a resistência ao revenimento. O National Institute of Standards and Technology relatou, para o aço rápido, que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Essa observação é importante porque a austenitização altera a quantidade de elementos de liga e de carbono dissolvidos na austenita antes da têmpera. Portanto, duas amostras do mesmo grau nominal podem atingir picos diferentes de endurecimento secundário se seus tratamentos de austenitização forem diferentes.

Um valor crescente de dureza para um determinado parâmetro de Hollomon-Jaffe não é, por definição, um erro. Ele pode indicar endurecimento por precipitação, enquanto um valor decrescente pode indicar o revenimento e a recuperação da martensita. O parâmetro registra uma exposição calculada; ele não identifica a reação responsável pela propriedade medida.

O que um parâmetro de revenimento equivalente pode e não pode prever

Um parâmetro equivalente é mais útil quando compara tratamentos dentro de uma família controlada: mesmo grau, mesmo tamanho de seção, mesma estrutura temperada, mesmo ciclo de austenitização, mesma atmosfera e mesma medição de propriedade. Dentro desses limites, ele pode ajudar a estimar se uma combinação revisada de temperatura e tempo de manutenção deverá produzir uma tendência de dureza semelhante. O ASM Handbook, Volume 4C, apresenta as correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman como métodos equivalentes de tempo-temperatura para avaliar a resposta ao revenimento de aços endurecidos por indução. Essas correlações são ferramentas de engenharia para organizar resultados, e não uma prova de que os históricos térmicos sejam fisicamente idênticos.

A taxa de aquecimento é uma limitação importante. Uma amostra aquecida rapidamente até a temperatura de revenimento permanece pouco tempo na faixa de temperaturas mais baixas, enquanto uma amostra aquecida lentamente pode iniciar a redistribuição do carbono, a formação de carbonetos ou a decomposição da austenita retida antes de atingir a temperatura nominal de manutenção. Um estudo revisado por pares de 2013 sobre o aço-ferramenta H13 desenvolveu previsões para ciclos isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, incluindo o comportamento de endurecimento secundário. Sua importância está no fato de que ciclos com valores nominais comparáveis do parâmetro ainda podem produzir respostas de dureza previstas diferentes quando o percurso de aquecimento se altera.

O revenimento interrompido cria outro problema. O resfriamento entre dois estágios de revenimento pode alterar a precipitação, a decomposição da austenita retida e a população de carbonetos de transição. O reaquecimento não necessariamente retoma a mesma reação à mesma taxa. O tamanho da seção também é importante: a superfície e o centro de uma matriz de grandes dimensões podem experimentar históricos diferentes de aquecimento e resfriamento, mesmo quando a temperatura do forno é registrada como um único valor.

A microestrutura prévia é igualmente importante. O tamanho do grão de austenita, o teor de carbono da martensita, a austenita retida, a segregação e os carbonetos não dissolvidos afetam todas as reações subsequentes. A austenitização é especialmente influente em aços-ferramenta rápidos e para trabalho a quente, pois controla a disponibilidade de soluto para a precipitação de carbonetos secundários. Um parâmetro nominalmente equivalente não pode reconstruir essa condição inicial.

A limitação se torna mais evidente nas proximidades de picos de transformação ou precipitação. Uma única curva monotônica de amolecimento não pode representar um aço que primeiro amolece, depois endurece à medida que precipitam carbonetos finos ricos em molibdênio, vanádio ou tungstênio e, posteriormente, volta a amolecer após o superenvelhecimento. O estudo sobre aço-matriz para forjamento a quente e morno publicado no Journal of Materials Processing Technology em 2013 utilizou o parâmetro de revenimento — também chamado de parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para correlacionar a exposição tempo-temperatura às alterações de dureza. Essa abordagem é útil para mapear o comportamento de aços para matrizes, mas sua relação ajustada continua vinculada ao aço e à faixa de tratamentos investigados.

Assim, $T(\log t+c)$ é um índice de comparação, e não um substituto para o histórico térmico ou para evidências microestruturais. Ele pode organizar dados de revenimento e apoiar a interpolação entre condições testadas. Não pode garantir dureza, tenacidade, populações de carbonetos ou teor de austenita retida iguais quando a taxa de aquecimento, as interrupções, a austenitização, a estrutura prévia ou a resposta da liga forem diferentes.

Revenimento Não Isotérmico e Ciclos Reais de Aquecimento

O revenimento não é definido apenas pelo setpoint do forno. A ASM International afirma no ASM Handbook Volume 4A (2024): “Revenimento é o aquecimento de aço endurecido ou normalizado até uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior.” A condição resultante depende da temperatura e do tempo de revenimento, mas também do teor de carbono, dos elementos de liga, dos elementos residuais, da austenitização prévia e do caminho térmico utilizado para atingir a temperatura de manutenção.

Essa distinção é importante porque as peças industriais raramente aquecem em todos os pontos à mesma taxa. Uma matriz, um inserto ou um eixo de grande porte pode ter a superfície quente enquanto o núcleo ainda está abaixo da faixa de revenimento pretendida. Durante esse intervalo, diferentes regiões estão passando por diferentes reações.

Manutenção isotérmica versus aquecimento contínuo

Um ensaio de revenimento isotérmico aquece um corpo de prova até uma temperatura selecionada e o mantém nessa temperatura. Ele é útil para separar o efeito do tempo de manutenção, mas não reproduz o histórico completo de um componente real. O aquecimento contínuo expõe o aço a uma sucessão de temperaturas, e cada temperatura permite uma combinação diferente de difusão de carbono, formação de carbonetos, decomposição da austenita e recuperação.

O U.S. Department of Energy descreve o revenimento em termos da difusão de carbono e da formação associada de carbonetos, da decomposição da austenita retida e da recuperação da estrutura martensítica. Essas reações não começam, avançam ou terminam todas à mesma taxa. Um corpo de prova aquecido lentamente pode permanecer por um tempo considerável em faixas de temperatura mais baixas, nas quais o carbono se redistribui e carbonetos de transição se formam antes que a temperatura nominal de revenimento seja atingida. Um corpo de prova aquecido rapidamente permanece menos tempo nessas faixas; assim, a precipitação e a recuperação começam sob uma sequência diferente de condições.

A diferença não consiste simplesmente em somar o tempo transcorrido acima de uma temperatura escolhida. A difusão é sensível à temperatura, enquanto a precipitação depende tanto da disponibilidade do soluto quanto do histórico de nucleação e crescimento das partículas. Uma reação que começa durante o aquecimento lento pode alterar a matriz e, consequentemente, modificar o que ocorre durante a manutenção final. Em contraste, o aquecimento rápido pode levar o aço a um regime de temperatura mais elevado antes que as mesmas reações intermediárias tenham avançado em grau comparável.

O método de Hollomon-Jaffe, formulado por J. H. Hollomon e L. D. Jaffe em 1945, expressa uma relação entre tempo, temperatura e composição para aço temperado. Sua forma comumente apresentada é:

$$P=T(\log t+c)$$

onde $T$ é a temperatura absoluta, $t$ é o tempo de revenimento e $c$ é uma constante dependente da composição e da resposta do material. O U.S. Department of Energy descreve essa expressão como uma forma de quantificar o grau de revenimento da martensita. É um parâmetro útil de comparação, não um apagador físico. Dois ciclos com o mesmo valor calculado podem diferir em razão da taxa de aquecimento, da microestrutura prévia, da austenitização, do tamanho da seção e das reações de precipitação específicas da liga.

O ASM Handbook Volume 4C (2024) apresenta um ponto prático semelhante para aços endurecidos por indução: as correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman podem representar condições equivalentes de tempo e temperatura para avaliar a resposta ao revenimento, mas sua concordância se aplica ao intervalo de materiais e processos testado. A correlação não prova que todo caminho térmico produza a mesma microestrutura.

O aço-ferramenta H13 como estudo de caso[3][3] Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. University of Arizona publication record. Peer-reviewed publication record, 2013.

Um estudo revisado por pares, registrado no banco de dados de publicações da University of Arizona, Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering (2013), é especialmente útil porque compara as respostas previstas para o AISI H13 em ciclos isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido. O estudo inclui o comportamento de endurecimento secundário, em vez de tratar a dureza como uma grandeza que necessariamente deve diminuir de forma monotônica.

O AISI H13 é um aço-ferramenta para trabalho a quente que contém cromo, molibdênio e vanádio. Em aços-ferramenta de alta liga, a ASM International identifica o endurecimento secundário como a precipitação de carbonetos finos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, ao vanádio e ao tungstênio. A precipitação pode compensar ou superar o amolecimento causado pela recuperação da martensita em parte da faixa de revenimento. A resposta exata depende da composição química e da condição inicial do aço; o estudo sobre o H13 não deve ser interpretado como atribuindo um único valor universal de dureza ou uma única temperatura fixa de endurecimento secundário a todos os produtos de H13.

A comparação entre os ciclos de aquecimento demonstra o ponto central: tratamentos isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido podem gerar históricos de dureza previstos diferentes, incluindo manifestações diferentes do pico de endurecimento secundário. Durante o aquecimento lento, o material começa a sofrer revenimento antes de atingir a temperatura nominal de destino. Durante o aquecimento rápido, o tempo disponível para a difusão em baixa temperatura e a precipitação inicial é reduzido. Portanto, a dureza final reflete o caminho até a manutenção, e não apenas a própria manutenção.

O endurecimento secundário também depende fortemente da austenitização. Um estudo do National Institute of Standards and Technology (1930) relatou que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Uma austenitização mais intensa pode alterar a quantidade de elementos de liga dissolvidos na austenita e a condição da matriz temperada, modificando, por sua vez, a resposta à precipitação durante o revenimento. Essa constatação é outra razão para evitar transferir um gráfico de revenimento de um histórico de tratamento térmico para outro sem verificação.

A consequência prática é direta: um ciclo de revenimento nominalmente idêntico para H13 pode produzir resultados diferentes se a rampa de aquecimento, o tratamento de austenitização prévio, o tamanho do corpo de prova ou o histórico de resfriamento forem alterados. A previsão é valiosa, mas deve ser calibrada em relação à qualidade do aço e ao processo.

Por que os gráficos do forno não descrevem completamente a peça

Um gráfico do forno geralmente informa a temperatura do ar ou a temperatura medida por um termopar em um local selecionado. Esse valor não é automaticamente a temperatura da superfície do aço e diz ainda menos sobre o centro de uma matriz espessa. O carregamento do forno, o contato com os dispositivos de fixação, a radiação, a convecção e a geometria da peça afetam o gradiente térmico.

Considere uma grande matriz de forjamento. Seus cantos expostos podem atingir a faixa de revenimento enquanto uma seção rebaixada permanece mais fria. A superfície, então, acumula mais tempo de reação em temperatura elevada, enquanto o interior ainda pode estar atravessando a parte inferior do intervalo de revenimento. Se a matriz for retirada quando o gráfico do forno atingir o tempo de manutenção programado, a superfície e o núcleo não terão passado por uma exposição térmica equivalente.

O local de medição também pode ocultar sobre-elevações e atrasos. Um termopar de controle pode responder rapidamente ao ar do forno, enquanto um termopar inserido próximo ao centro da peça registra uma elevação mais lenta. Para a qualificação do processo, ambos os locais podem ser importantes: a medição do forno estabelece o comportamento do equipamento, enquanto os termopares instalados na peça revelam a exposição real que governa a transformação e a precipitação.

O estudo sobre aços para matrizes de forjamento a quente e morno publicado no Journal of Materials Processing Technology (2013) utiliza o parâmetro de revenimento — também chamado de parâmetro de Hollomon-Jaffe ou parâmetro de Larson-Miller — para correlacionar a exposição a tempo e temperatura com a alteração da dureza. Esse parâmetro ajuda a organizar dados de diversos ciclos, mas continua sendo uma relação ajustada. São necessários corpos de prova específicos da qualidade do aço, tamanhos de seção representativos, temperaturas medidas na peça e verificações de dureza ou microestrutura para validá-lo. Um gráfico do forno é um registro do ambiente de aquecimento. Por si só, ele não é uma descrição completa do histórico de revenimento do aço.

Revenimento de Aços Endurecidos por Indução

Uma camada endurecida e um núcleo com menor teor de carbono

A ASM International define o revenimento como “o aquecimento de aço endurecido ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior” (ASM Handbook Volume 4A, 2024). Essa definição é simples; uma seção endurecida por indução não é. O aquecimento por indução produz austenita principalmente próximo à superfície, seguido de têmpera rápida. O resultado costuma ser uma camada martensítica com alto teor de carbono sobre um núcleo mais macio, com menor teor de carbono, que pode permanecer ferrítico-perlítico, bainítico, revenido ou parcialmente transformado, dependendo da condição inicial e da profundidade atingida pelo ciclo térmico.

A camada e o núcleo, portanto, não iniciam o revenimento a partir da mesma microestrutura. Próximo à superfície, o teor de carbono pode refletir a composição do aço-base, a cementação ou carbonitretação, a descarbonetação, a segregação ou a dissolução incompleta de carbonetos durante a austenitização. Em maiores profundidades, o material pode conter menos carbono dissolvido e talvez nunca tenha ultrapassado a faixa de austenitização. Mesmo dentro da camada endurecida, o tamanho dos grãos de austenita prévia, o teor de carbono da martensita, a austenita retida, a dissolução de carbonetos de liga e a velocidade de têmpera podem variar com a profundidade.

O revenimento então promove várias reações sobrepostas. O U.S. Department of Energy descreve a difusão do carbono, a formação de carbonetos, a decomposição da austenita retida e a recuperação como partes importantes do processo. Suas velocidades dependem da temperatura e do tempo, mas também da estrutura local disponível para reagir. Uma zona superficial aquecida rapidamente até uma temperatura de revenimento não passa pela mesma sequência de reações que um núcleo que se aquece lentamente por condução. Durante o revenimento por indução, a superfície pode atingir a temperatura-alvo enquanto a região subsuperficial ainda está aquecendo; durante um revenimento separado em forno, todo o componente pode se aproximar de uma temperatura mais uniforme, embora o tamanho da seção ainda controle o tempo necessário.

O revenimento convencional frequentemente reduz a dureza da martensita no estado temperado, à medida que o carbono deixa a martensita supersaturada e forma carbonetos de transição ou cementita. Essa tendência não é universal. A ASM International afirma que o endurecimento secundário em aços-ferramenta de alta liga é produzido pela precipitação de carbonetos finos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, vanádio e tungstênio. Uma precipitação mais intensa aumenta a resistência ao amolecimento durante o revenimento e pode elevar a dureza após uma redução inicial. O National Institute of Standards and Technology relatou, em 1930, que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Uma austenitização mais intensa pode dissolver mais elementos de liga, mas também pode aumentar a austenita retida e alterar o tamanho dos grãos; portanto, o pico não pode ser associado a uma única temperatura fixa para todos os tipos de aço ou tratamentos.

Aplicação das correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe desenvolveram seu método, em 1945, como uma relação tempo-temperatura-composição para aço temperado. Sua forma conhecida é o parâmetro de revenimento

$$P=T({\log }_{10}t+c),$$

em que $T$ é a temperatura absoluta, $t$ é o tempo e $c$ é uma constante dependente da composição e da reação. A expressão $T(\log t+c)$ representa o grau de revenimento da martensita ao posicionar diferentes exposições de tempo e temperatura em uma escala equivalente. Uma exposição prolongada a uma temperatura mais baixa pode, portanto, ser comparada a uma exposição mais curta a uma temperatura mais alta, desde que a correlação seja adequada ao material e à faixa de reação.

O ASM Handbook Volume 4C aplica esse tipo de análise a aços endurecidos por indução e compara Hollomon-Jaffe com a correlação de Grange-Baughman para representar condições equivalentes de tempo e temperatura. Essas relações são úteis para converter um ciclo térmico medido ou calculado em um parâmetro que possa ser relacionado à variação de dureza. Elas não substituem a análise metalográfica nem as medições de dureza em seções transversais. Um parâmetro equivalente não elimina as diferenças na velocidade de aquecimento, na austenitização, na microestrutura inicial, no tamanho da seção, na austenita retida ou na resposta da liga.

Essa limitação é especialmente importante quando ocorre endurecimento secundário. Uma correlação ajustada ao amolecimento monotônico durante o revenimento pode representar de forma incorreta um aumento de dureza causado pela precipitação de carbonetos de liga. Um estudo revisado por pares, publicado em 2013, sobre o aço-ferramenta H13 demonstrou previsões para ciclos de revenimento isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, incluindo o comportamento de endurecimento secundário. Os ciclos podiam produzir diferentes respostas previstas de dureza mesmo quando suas exposições térmicas nominais pareciam comparáveis. O H13, com quantidades significativas de cromo, molibdênio e vanádio, não constitui um modelo para todos os tipos de aço endurecidos por indução.

Resposta dependente da profundidade e interpretação do processo

Uma interpretação útil começa com um histórico de temperatura-tempo em cada profundidade, e não com um único valor de ajuste do forno. A superfície pode passar por um ciclo rápido de austenitização, ser temperada até formar martensita e, em seguida, receber um revenimento curto. Em uma profundidade próxima ao limite de endurecimento, a temperatura máxima pode ficar abaixo da austenitização completa, mas ser suficientemente alta para revenir a estrutura existente. O núcleo pode sofrer apenas aquecimento por condução e manter propriedades determinadas principalmente pela normalização, recozimento ou revenimento anterior.

Consequentemente, os perfis de dureza devem ser obtidos em uma seção transversal adequadamente preparada, registrando-se a origem da medição, o espaçamento, a carga e a condição da superfície. A dureza da camada, a profundidade efetiva da camada endurecida, o comportamento da zona de transição e a dureza do núcleo devem ser relatados separadamente. A análise metalográfica, a medição da austenita retida e, quando necessário, a análise de carbonetos ou da composição ajudam a explicar desvios em relação a um perfil calculado.

O estudo de 2013 sobre aços para matrizes de forjamento a quente e morno demonstra o mesmo ponto em outro contexto: um parâmetro de revenimento, também chamado de parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller, pode correlacionar a exposição de tempo e temperatura com a variação de dureza, mas a correlação continua vinculada ao aço e à faixa de tratamento testados. Para peças endurecidas por indução, os valores de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman são mais bem utilizados como ferramentas de comparação de processos. A validação ainda exige registros térmicos resolvidos em profundidade e medições em seções transversais tanto da camada endurecida quanto do núcleo com menor teor de carbono.

Uso de Parâmetros de Revenimento para Aços de Matrizes e Controle de Processos

Aços para matrizes de forjamento a quente e morno

O revenimento não é simplesmente uma redução programada da dureza. A ASM International o define como “o aquecimento de aço endurecido ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior” (ASM Handbook Volume 4A, 2024). Durante esse tratamento, o carbono se difunde a partir da martensita supersaturada, os carbonetos se formam ou coalescem, a austenita retida pode se decompor e a matriz sofre recuperação. O U.S. Department of Energy descreve esses processos como mudanças acopladas, e não como uma única reação de amolecimento.

Essa distinção é importante para os aços de matrizes de forjamento a quente e morno. Classes como a ASTM A681 H13 são comumente temperadas a partir de um tratamento de austenitização e revenidas para estabelecer um equilíbrio controlado entre dureza, tenacidade e resistência à ciclagem térmica. Outras classes para trabalho a quente, incluindo H11 e H10, respondem de acordo com seus próprios teores de carbono, cromo, molibdênio e vanádio, com a condição dos grãos preexistentes e com o histórico de têmpera. Um ciclo de revenimento que produz determinada dureza no H13 não pode ser transferido diretamente para outra classe apenas porque as temperaturas nominais de revenimento são semelhantes.

Aços-ferramenta de alta liga podem endurecer durante o revenimento. A ASM International atribui o endurecimento secundário à precipitação de carbonetos finos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, vanádio e tungstênio. Quanto mais intensa for a reação de precipitação, maior poderá ser a resistência ao amolecimento por revenimento. O National Institute of Standards and Technology relatou, em 1930, que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Uma temperatura de austenitização mais alta pode dissolver uma quantidade maior de carbonetos de liga e aumentar o teor de elementos de liga na austenita, mas também pode aumentar o tamanho dos grãos de austenita preexistentes e alterar o teor de austenita retida. O pico de dureza resultante é, portanto, produto do histórico completo do tratamento, e não apenas da temperatura de revenimento.

Para matrizes de forjamento, o controle do processo deve registrar a designação do aço, a corrida ou o lote, a dureza inicial, a temperatura e o tempo de permanência na austenitização, o tempo de transferência, o meio de têmpera, a velocidade de resfriamento, a temperatura de revenimento, a velocidade de aquecimento, o tempo de permanência e o método de resfriamento. A uniformidade do forno também é importante. A superfície e o núcleo de uma matriz podem experimentar ciclos térmicos diferentes, especialmente em uma seção de grandes dimensões.

Correlação da dureza por meio de parâmetros de revenimento

J. H. Hollomon e L. D. Jaffe propuseram, em 1945, uma relação entre tempo, temperatura e composição para aço temperado. O método deles expressa o grau de revenimento da martensita por meio de:

$$P=T(\log t+c)$$

em que $T$ é a temperatura absoluta, $t$ é o tempo e $c$ é uma constante relacionada ao material. Dependendo da fonte e da aplicação, essa grandeza é denominada parâmetro de Hollomon-Jaffe ou parâmetro de Larson-Miller. O tempo deve ser indicado nas unidades utilizadas para estabelecer a correlação, e a temperatura deve ser absoluta, e não expressa em graus Celsius.

O parâmetro é útil porque combina o tempo de exposição e a temperatura em um único valor de comparação. Um engenheiro de processos pode plotar a dureza medida em função de $P$ e, então, identificar se um ciclo de produção está dentro da faixa testada. O estudo de 2013 sobre aços para matrizes de forjamento, publicado no Journal of Materials Processing Technology, utilizou esse parâmetro de revenimento — também denominado parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para correlacionar a exposição a tempo e temperatura com a alteração da dureza em aços para matrizes de forjamento a quente e morno.

Correlação não é causalidade. Dois ciclos com o mesmo $P$ não precisam produzir microestruturas idênticas se um utilizar aquecimento rápido e o outro uma longa rampa de aquecimento no forno. A morfologia da martensita preexistente, a austenita retida, o tamanho da seção, o tratamento de austenitização, a severidade da têmpera e a população de carbonetos de liga podem alterar a resposta. O parâmetro também não fornece uma previsão direta da dureza entre classes de aço não relacionadas. Sua constante $c$, a curva ajustada e a faixa de utilização requerem evidências do aço e da condição que estão sendo avaliados.

Um estudo revisado por pares sobre H13 registrou diferentes respostas de dureza previstas para ciclos de revenimento isotérmico, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, incluindo o comportamento de endurecimento secundário (registro de publicação da University of Arizona, 2013). Esse resultado limita diretamente o uso de um único parâmetro equivalente para ciclos de produção não isotérmicos. O ASM Handbook Volume 4C também compara as correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman para aços endurecidos por indução, descrevendo-as como condições equivalentes de tempo e temperatura para avaliar a resposta ao revenimento, e não como equações universais de propriedades.

Verificação por dureza e microestrutura

A verificação começa pela identificação precisa do material: designação da classe, especificação aplicável, número da corrida, condição de fornecimento, tratamento de austenitização e condição de têmpera. Em seguida, o inspetor deve preservar o registro térmico completo, incluindo a calibração do forno, a temperatura da carga, se disponível, a velocidade de subida da temperatura, o tempo de permanência, os atrasos de transferência e o resfriamento entre múltiplos revenimentos. “Dois revenimentos a 550 °C” é uma informação incompleta, a menos que a duração e o histórico de aquecimento também sejam conhecidos.

O ensaio de dureza deve indicar o método. Para uma seção de matriz suficientemente espessa, o ensaio Rockwell C de acordo com a ASTM E18 pode ser apropriado; o relatório deve incluir a preparação da superfície, os locais de ensaio, o número de impressões e a verificação do instrumento. O ensaio Vickers de acordo com a ASTM E384 é mais adequado para seções finas, gradientes, camadas descarbonetadas ou investigações locais. Quando o tamanho da seção permitir, as medições devem abranger a superfície de trabalho, a região subsuperficial e o núcleo. Um valor de dureza sem a indicação do local e do método constitui uma evidência fraca do processo.

Um amolecimento inesperado, uma dureza anormalmente alta ou um aumento da dureza na faixa em que se esperaria amolecimento por revenimento exigem exame metalográfico. Uma seção polida e adequadamente atacada pode revelar martensita revenida, distribuição de carbonetos, produtos da austenita retida, crescimento excessivo dos grãos e descarbonetação. A microscopia óptica pode estabelecer a condição geral; a microscopia eletrônica de varredura pode resolver carbonetos secundários finos, enquanto os perfis de dureza podem revelar gradientes térmicos. A difração de raios X ou outras medições de austenita retida podem ser necessárias quando houver suspeita de alteração dimensional ou transformação retardada.

A decisão de aceitação deve comparar tanto a dureza quanto a estrutura com uma condição de referência qualificada. Um valor de Hollomon-Jaffe correspondente constitui evidência útil, mas não prova que a matriz tenha recebido o mesmo tratamento metalúrgico. No caso do endurecimento secundário, o pico de dureza medido e o estado dos carbonetos devem estar de acordo com a janela de processo validada e específica para a classe do aço.

Como Ler uma Curva de Revenimento sem Interpretá-la Incorretamente

Uma curva de revenimento normalmente representa a dureza em função da temperatura de revenimento, do tempo de revenimento ou de um parâmetro combinado de tempo–temperatura. Ela não é um mapa universal da “perda de dureza com o calor”. O ASM Handbook Volume 4A define o revenimento como “o aquecimento de aço endurecido ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior”. A estrutura resultante depende da temperatura e do tempo, mas também do teor de carbono, do teor de elementos de liga, dos elementos residuais, do tratamento de austenitização, da têmpera e da condição do aço antes do revenimento.

Leia a curva como um registro de reações concorrentes. O carbono se difunde a partir da martensita supersaturada; carbonetos de transição ou cementita podem se formar; a austenita retida pode se decompor; carbonetos de liga podem precipitar; e a matriz pode sofrer recuperação. O U.S. Department of Energy identifica a difusão do carbono, a formação de carbonetos, a decomposição da austenita e a recuperação como processos centrais do revenimento. A sequência e a velocidade dessas reações variam entre as qualidades de aço e os ciclos de aquecimento.

Regiões de amolecimento e picos de endurecimento secundário

A primeira porção descendente de uma curva geralmente reflete o amolecimento normal causado pelo revenimento. À medida que a martensita temperada perde carbono supersaturado e tensão interna, sua dureza normalmente diminui. Uma queda pode, portanto, indicar formação de carbonetos e recuperação da matriz, mas também pode incluir a transformação da austenita retida ou uma alteração na fração volumétrica das fases duras. Uma região quase plana não prova que “nada acontece”. Várias reações podem estar ocorrendo enquanto seus efeitos sobre a dureza medida se compensam parcialmente.

Uma elevação posterior é o alerta característico contra a interpretação do revenimento como um amolecimento contínuo. Em aços-ferramenta de alta liga, a ASM International afirma que o endurecimento secundário é produzido pela precipitação de carbonetos finos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, vanádio e tungstênio. Essas partículas fortalecem a matriz revenida, enquanto uma precipitação mais intensa geralmente aumenta a resistência a novos revenimentos. A elevação pode ser especialmente importante em aços rápidos e aços para matrizes de trabalho a quente, embora sua faixa de temperatura e sua magnitude sejam específicas de cada qualidade, e não propriedades fixas da categoria do aço.

Um estudo de 1930 do National Institute of Standards and Technology sobre aço rápido relatou que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. Esse resultado tem uma consequência interpretativa direta: duas curvas para um aço nominalmente idêntico podem apresentar picos diferentes se um dos corpos de prova tiver sido austenitizado de forma mais severa, dissolvido uma quantidade maior de carbonetos de liga ou retido uma quantidade diferente de austenita. Não transfira um pico do aço rápido AISI M2 para outro aço rápido, nem do AISI H13 para outra qualidade de aço para trabalho a quente, sem compatibilizar o histórico de tratamento.

O tempo é tão importante quanto a temperatura. O método de J. H. Hollomon e L. D. Jaffe, de 1945, relaciona o tempo de revenimento, a temperatura e a composição com a estrutura e as propriedades desenvolvidas no aço temperado. Seu parâmetro, escrito comumente como T(log t + c), quantifica o grau de revenimento da martensita; a temperatura normalmente é a temperatura absoluta, o tempo é o período de exposição, e c representa uma constante dependente da composição e da resposta do material. Esse parâmetro pode situar diferentes ciclos em uma condição nominal de revenimento equivalente, mas não elimina as diferenças na velocidade de aquecimento, na microestrutura prévia, na austenitização, no tamanho da seção ou na resposta da liga.

Um estudo revisado por pares de 2013 sobre o aço-ferramenta H13 reforça essa limitação. Seu método previu respostas de dureza diferentes para ciclos isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, incluindo o comportamento de endurecimento secundário. Um ciclo de forno que leva minutos para atravessar uma faixa de precipitação não é necessariamente equivalente a um salto instantâneo até a temperatura final.

Dureza máxima versus propriedades úteis em serviço

O ponto mais alto do gráfico é apenas a maior dureza medida sob aquele procedimento de ensaio. Ele não é automaticamente a melhor condição de revenimento. O pico de dureza secundária pode vir acompanhado de tenacidade reduzida, maior sensibilidade à trinca, tensão residual ou alteração dimensional decorrente da transformação da austenita retida. A resistência ao desgaste pode melhorar em uma condição de contato, enquanto a resistência à fadiga térmica ou o desempenho ao impacto diminuem.

Um aço para matrizes pode exigir uma dureza inferior ao seu máximo de endurecimento secundário para obter tenacidade e estabilidade dimensional aceitáveis. Por outro lado, uma ferramenta que opere em alta temperatura pode se beneficiar da resistência ao amolecimento, mesmo quando sua dureza à temperatura ambiente não for a máxima disponível. A dureza, por si só, também informa pouco sobre tenacidade à fratura, ductilidade à tração, fadiga térmica, distorção ou amolecimento induzido pelo serviço. Portanto, a curva deve ser analisada juntamente com dados de impacto, tração, tenacidade, dimensão e aplicação específica.

Para aços endurecidos por indução, o ASM Handbook Volume 4C compara as correlações de Hollomon–Jaffe e Grange–Baughman como representações de condições equivalentes de tempo–temperatura. “Equivalente” significa equivalente dentro da faixa do material ensaiado e do modelo utilizado, e não intercambiável para todo aço ou trajetória de aquecimento. Da mesma forma, um estudo de 2013 publicado no Journal of Materials Processing Technology utilizou o parâmetro de revenimento — também denominado parâmetro de Hollomon–Jaffe ou Larson–Miller — para correlacionar a exposição com a alteração de dureza em aços para matrizes de forjamento a quente e morno. Essas correlações organizam os dados; elas não fornecem valores garantidos de dureza nem temperaturas de pico fixas.

Relato da qualidade, da condição e do método de ensaio

Uma curva útil deve informar a designação exata do aço e a norma aplicável, como AISI H13 ou AISI M2, juntamente com a especificação pertinente, como ASTM A681, quando aplicável. Informe a composição química quando conhecida, incluindo o carbono e os principais elementos formadores de carbonetos. Declare se o material estava recozido, normalizado, temperado e revenido ou se havia sido submetido a outro processamento antes do experimento.

O registro do tratamento térmico deve informar a temperatura de austenitização, o tempo de patamar, a atmosfera, o tamanho do corpo de prova, a velocidade de aquecimento, o meio de têmpera e o atraso até a têmpera. Informe a temperatura de revenimento, o tempo na temperatura, a velocidade de aquecimento, o método de resfriamento e o número de ciclos de revenimento. Indique a localização do corpo de prova — superfície, centro, seção transversal, seção longitudinal ou outra posição definida —, pois o tamanho da seção e os gradientes térmicos podem alterar o resultado.

Por fim, identifique o método e a escala de dureza: por exemplo, HRC, HV ou HBW; o penetrador e a carga, quando aplicável; a preparação da superfície; a temperatura de ensaio; e o número e a dispersão das leituras. Sem esses detalhes, uma curva pode descrever um experimento real e, ainda assim, ser inadequada para comparação. Um pico de dureza é uma evidência sobre um aço, uma condição e um método de medição específicos — não uma regra geral para todos os tratamentos de revenimento.

Estrutura de Referência: Uma Especificação de Revenimento Defensável

Defina o material e a condição inicial

Uma especificação de revenimento não é defensável a menos que identifique precisamente o aço. Declare o grau, a norma do produto, a norma de tratamento térmico e a designação exatamente conforme aplicável: por exemplo, ASTM A681 H13, UNS T20813 ou outra designação exigida pela especificação aplicável. Não escreva apenas “aço-ferramenta” ou “aço endurecido”. A composição química controla o carbono disponível, os elementos de liga formadores de carbonetos e os elementos residuais, enquanto o tamanho da seção e o processamento anterior influenciam a estrutura que responderá ao revenimento.

A condição metalúrgica inicial também deve ser registrada. Declare se o material está recozido, normalizado, temperado e não revenido, ou já revenido, e inclua a dureza anterior quando conhecida. Para uma condição endurecida, documente a temperatura de austenitização, o tempo de permanência, a atmosfera do forno, o tempo de transferência e o meio de têmpera. A agitação da têmpera, sua interrupção e a severidade do resfriamento podem alterar a austenita retida, a morfologia da martensita, as tensões residuais e o potencial de precipitação. Um segundo revenimento aplicado a um aço previamente revenido não é equivalente ao primeiro revenimento, mesmo quando a temperatura do forno e o tempo de permanência são iguais.

O ASM Handbook Volume 4A define revenimento como “o aquecimento de aço endurecido ou normalizado a uma temperatura abaixo da temperatura crítica inferior”. Essa definição estabelece o limite do processo, não uma receita universal. A mesma referência identifica a temperatura de revenimento, o tempo, o teor de carbono, o teor de elementos de liga e os elementos residuais como fatores que controlam a microestrutura e as propriedades resultantes.

Especifique o ciclo térmico

Descreva o ciclo como uma sequência, e não como uma única temperatura nominal. A especificação deve indicar a temperatura-alvo e a faixa permitida, a taxa de aquecimento ou a rampa do forno, o método utilizado para medir a temperatura da carga, o tempo na temperatura, o número de ciclos de revenimento e o método de resfriamento. “Revenir a 550 °C durante duas horas” deixa perguntas importantes sem resposta se a peça atingir 550 °C lentamente, se o termopar medir o ar do forno em vez da carga, ou se o resfriamento ocorrer em ar parado, ar forçado ou outro meio controlado.

O revenimento é um processo acoplado. O U.S. Department of Energy descreve a difusão do carbono, a formação de carbonetos, a decomposição da austenita e a recuperação como partes concorrentes ou sequenciais da resposta. O revenimento de aços-carbono comuns frequentemente produz uma redução da dureza à medida que a martensita supersaturada se decompõe e a recuperação avança. Aços-ferramenta de alta liga podem se comportar de maneira diferente: a ASM International afirma que o endurecimento secundário é produzido pela precipitação de carbonetos finos de liga, incluindo carbonetos associados ao molibdênio, vanádio e tungstênio. Uma precipitação mais intensa pode aumentar a resistência ao amolecimento por revenimento e produzir um pico de dureza.

Esse pico deve ser tratado como uma resposta metalúrgica normal, não como um resultado anormal de ensaio. Um estudo do National Institute of Standards and Technology, publicado em 1930, relatou que “a intensidade do pico de endurecimento secundário aumenta com o grau de austenitização”. O resultado não estabelece uma única temperatura de pico para todos os graus. Uma austenitização mais extensa pode alterar a dissolução dos elementos de liga, a austenita retida e a quantidade de soluto disponível para precipitação posterior.

Os parâmetros tempo-temperatura ajudam a comparar ciclos, mas não substituem um ciclo especificado. O método de J. H. Hollomon e L. D. Jaffe, de 1945, relaciona o tempo de revenimento, a temperatura e a composição à estrutura e às propriedades desenvolvidas no aço temperado. Na forma comumente utilizada, o parâmetro é expresso como T(log t + c), em que a temperatura absoluta, o tempo e uma constante relacionada à composição são usados para quantificar o grau de revenimento da martensita. Um parâmetro equivalente não elimina as diferenças na taxa de aquecimento, na microestrutura inicial, na prática de austenitização, no tamanho da seção ou na resposta da liga.

Essa limitação é especialmente importante para o aquecimento não isotérmico. Um estudo revisado por pares de 2013 sobre o aço-ferramenta H13 comparou ciclos isotérmicos, de aquecimento lento e de aquecimento rápido, e previu diferentes respostas de dureza, incluindo o comportamento de endurecimento secundário. O ASM Handbook Volume 4C também compara as correlações de Hollomon-Jaffe e Grange-Baughman para aços endurecidos por indução; ambas podem representar condições equivalentes de tempo-temperatura, mas a correlação não prova que dois ciclos físicos produzam microestruturas idênticas. Um estudo de 2013 sobre aços para matrizes de forjamento a quente e morno utilizou o parâmetro de revenimento — também chamado de parâmetro de Hollomon-Jaffe ou de Larson-Miller — para relacionar o tempo de exposição e a temperatura à variação da dureza. Esse parâmetro é uma ferramenta de comparação, não uma autorização para omitir o histórico de aquecimento.

Valide o resultado em relação ao conjunto de propriedades pretendido

A especificação deve definir o que significa aceitação. Declare a escala de dureza exigida, o método de ensaio, a carga, os locais de medição e a faixa permitida. Para um componente grande ou endurecido com gradiente, especifique locais na superfície, no núcleo e em posições intermediárias, em vez de relatar uma única leitura conveniente. Registre o gráfico real do revenimento e a temperatura da carga, pois apenas o setpoint do forno não pode demonstrar conformidade.

A verificação da dureza deve ser acompanhada de exame microestrutural quando o grau do aço, o risco de serviço ou a resposta de endurecimento secundário assim o justificarem. O exame pode avaliar martensita revenida, precipitação de carbonetos de liga, austenita retida, bainita, descarbonetação e trincas de têmpera. As evidências metalográficas não podem identificar a composição química de todos os carbonetos por microscopia óptica; portanto, a composição ou a distribuição dos carbonetos pode exigir métodos de maior resolução quando isso controlar o desempenho. A variação dimensional, a tenacidade ou os ensaios de tensão residual também podem fazer parte do conjunto de propriedades; a dureza, isoladamente, não pode estabelecer que um revenimento seja adequado.

Assim, uma estrutura concisa de análise é: identificar o grau exato e a designação aplicável; declarar a condição metalúrgica inicial; documentar a austenitização e a têmpera; definir a temperatura de revenimento, o tempo, a taxa de aquecimento, o número de ciclos e o método de resfriamento; e então verificar a dureza e, quando necessário, a microestrutura em relação aos critérios de aceitação declarados. A especificação deve reconhecer que difusão, precipitação, decomposição e recuperação interagem. O amolecimento contínuo é um resultado possível — não a regra determinante para todos os aços.

Referências

1. [1]ASM International. Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM Handbook Volume 4C, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/11/chapter-abstract/127400/Tempering-of-Induction-Hardened-Steels
2. [2]J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. Metals Technology, 1945. https://onetunnel.org/documents/transformation-of-austenite-time-temperature-relations-in-tempering-steel-metals-technology-september-1945-with-discussion-
3. [3]University of Arizona publication record. Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. Peer-reviewed publication record, 2013. https://experts.arizona.edu/en/publications/hardness-of-h13-tool-steel-after-non-isothermal-tempering/