Austêmpera e martêmpera do aço

Austêmpera e Martêmpera: a Terminologia que Deve ser Mantida Separada

Ambos os tratamentos interrompem a têmpera direta, mas não criam a mesma microestrutura. A austêmpera é um tratamento de transformação bainítica: o aço austenitizado é arrefecido rapidamente até uma temperatura à qual se pode formar bainita e é mantido nessa temperatura até que a fracção necessária de austenita se transforme. A martêmpera é uma etapa de equalização da temperatura antes da formação de martensita: o aço é temperado até uma temperatura imediatamente superior à sua temperatura de início da formação de martensita, mantém-se nessa temperatura apenas durante o tempo suficiente para que a secção se aproxime de uma temperatura uniforme e, em seguida, é arrefecido através do intervalo martensítico. O aço martemperado requer normalmente revenido antes de entrar em serviço.

Esta distinção é mais importante do que o nome do banho de têmpera. Um banho de sais, um banho de óleo ou outro meio controlado não identifica, por si só, o processo. A composição da liga determina as posições e as formas das curvas de transformação; a temperatura de início da formação de martensita, a dimensão da secção, a temperabilidade, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento determinam o percurso efetivamente seguido. Um banho a 300 °C pode permitir a austêmpera de um aço, se se formar bainita durante a manutenção, mas funcionar como uma estação de martêmpera noutro aço, se a peça for retirada antes da transformação bainítica e posteriormente arrefecida para formar martensita.

Por que razão os nomes são frequentemente confundidos

A confusão resulta de uma semelhança real no equipamento e no manuseamento. Em ambos os tratamentos, a peça é austenitizada, transferida rapidamente para um meio com temperatura controlada e impedida de sofrer uma têmpera direta e não controlada desde a temperatura de austenitização até à temperatura ambiente. Ambos os ciclos podem reduzir os gradientes térmicos em comparação com uma têmpera convencional e ambos podem ser descritos informalmente como “têmpera interrompida”. Essas características comuns não estabelecem um produto de transformação comum.

Os nomes dos banhos agravam o problema. Termos como têmpera em banho de sais, têmpera a quente, têmpera isotérmica, têmpera ausbay e têmpera interrompida são frequentemente utilizados de forma sobreposta, embora descrevam o equipamento, o controlo da temperatura ou um ciclo, e não uma única fase final. A SAE AMS-H-6875C: Heat Treatment of Steel Raw Materials abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando especificadas. A linguagem da especificação reforça, portanto, um ponto essencial: a designação do tratamento deve estar associada ao procedimento e ao resultado exigidos, não ser inferida do simples facto de terem sido utilizados sais.

A geometria também altera a interpretação. Uma peça fina pode equalizar a temperatura ao longo da sua espessura durante uma curta manutenção acima da temperatura de início da formação de martensita. Uma peça espessa pode necessitar de uma manutenção mais longa, e esse tempo adicional pode permitir que a bainita se inicie ou progrida se a temperatura se situar dentro do intervalo de transformação bainítica. Inversamente, um aço com formação retardada de bainita pode permanecer substancialmente austenítico durante uma manutenção que transformaria um aço de qualidade diferente. A mesma temperatura nominal do banho pode, portanto, produzir estruturas diferentes em AISI 52100, AISI 8620 e numa liga de elevada temperabilidade.

[1][1] ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels. ASM International. ASM Handbook, 2013.

O ASM Handbook Volume 4A de 2013, publicado pela ASM International, identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo da martêmpera. Estas variáveis são dados do processo, e não pormenores acessórios. Um desenho ou procedimento que indique apenas “têmpera em sais a 300 °C” está incompleto, a menos que também defina o aço, o tempo de transferência, o critério de equalização, o limite de manutenção e as operações subsequentes de arrefecimento e revenido.

O produto de transformação define o processo

A austêmpera é definida pela transformação bainítica deliberada durante a manutenção isotérmica. Strong evidence

A austêmpera é definida pela formação deliberada de bainita. Após a austenitização, o aço é temperado num meio mantido dentro de um intervalo de temperaturas no qual a austenita se pode transformar isotermicamente em bainita. Um estudo de 2013 sobre AISI 52100 descreve a austêmpera como a têmpera num meio mantido aproximadamente entre 200 e 400 °C, seguida de manutenção até à formação de bainita. O intervalo útil preciso depende da qualidade do aço; os elementos de liga alteram a cinética de transformação, e os produtos de bainita superior e inferior não têm necessariamente propriedades idênticas.

O tempo de manutenção é, portanto, um requisito metalúrgico, e não apenas um método para reduzir as diferenças de temperatura. Se a peça for retirada antes de ocorrer a reação bainítica pretendida, o processo não produziu uma estrutura totalmente austemperada. Dependendo do ciclo, o material final pode conter bainita com martensita, austenita retida ou regiões não transformadas. Um estudo de 2020 sobre austêmpera de curta duração e baixa temperatura num aço de médio teor de carbono e baixa liga relatou nano-bainita, martensita e austenita retida; os seus coeficientes de desgaste foram até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado. Esse resultado diz respeito ao aço e ao ciclo estudados, não a todas as qualidades de aço austemperado.

Temperatura de início da martensite (Ms)Temperatura de início da martensite (Ms) A temperatura à qual a transformação martensítica se inicia durante o arrefecimento, para uma composição e uma história térmica definidas.

A martêmpera tem um objetivo diferente. O banho é selecionado imediatamente acima da temperatura de início da formação de martensita do aço, habitualmente indicada por $M_s$. A peça permanece nessa temperatura apenas até que as temperaturas da superfície e do núcleo se aproximem suficientemente. Em seguida, é arrefecida através do intervalo de formação de martensita, normalmente ao ar ou sob outra condição de arrefecimento controlada. A martensita forma-se durante esta etapa posterior de arrefecimento, e não durante a manutenção no banho. O Heat Treating Subject Guide da ASM, de 2020, descreve esta sequência e afirma que o aço deve ser posteriormente revenido antes de entrar em serviço.

O objetivo é reduzir a diferença de temperatura entre a superfície e o interior antes de ocorrer a deformação de transformação da martensita. A contração térmica e a expansão de transformação desenvolvem-se então com uma discrepância temporal menos acentuada, o que pode reduzir a deformação e a fissuração em comparação com uma têmpera direta. A martêmpera não elimina as tensões de têmpera nem substitui o revenido. A martensita não revenida pode apresentar elevada dureza, mas baixa tenacidade e tensões residuais excessivas.

A distinção pode ser verificada, em vez de ser presumida. Um exame metalográfico pode identificar bainita, martensita e austenita retida, enquanto os ensaios de dureza, a inspeção dimensional e, quando necessário, a medição da austenita retida permitem verificar se o resultado especificado foi alcançado. O ciclo térmico deve ser comparado com os dados de transformação em arrefecimento contínuo e de transformação isotérmica da qualidade do aço. A temperatura do banho, por si só, não constitui prova suficiente.

Uma comparação concisa da finalidade dos processos

A austêmpera mantém o aço a uma temperatura de transformação bainítica durante o tempo suficiente para que a austenita se converta em bainita. O acontecimento que define o processo ocorre durante a manutenção isotérmica. Dependendo da qualidade do aço e da geometria, a estrutura resultante pode proporcionar um equilíbrio útil entre dureza, tenacidade, comportamento à fadiga e estabilidade dimensional. Em AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 cementados, uma investigação da SAE publicada em 2013 utilizou temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C e registou uma deformação significativamente menor do que em provetes cementados, temperados e revenidos. O resultado apoia a seleção do processo para aquelas condições testadas; não constitui uma classificação universal dos tratamentos.

A equalização do aço imediatamente acima do intervalo martensítico antes de um arrefecimento mais lento pode reduzir a fissuração, sacrificando pouca dureza. Strong evidence

A martêmpera mantém o aço acima de $M_s$ durante o tempo suficiente para equalizar a temperatura e, em seguida, permite a transformação martensítica controlada durante o arrefecimento. O acontecimento que define o processo é a equalização da temperatura antes da formação de martensita, seguida de revenido. O estudo de 1946 sobre o intervalo de temperaturas de formação da martensita descreveu diretamente esta base: a têmpera até imediatamente acima do intervalo de formação de martensita, seguida de um arrefecimento mais lento, pode reduzir a fissuração sacrificando pouca dureza.

A austêmpera coloca a questão: “Pode este aço transformar-se na estrutura bainítica exigida dentro do tempo disponível e do intervalo de temperaturas previsto?” A martêmpera coloca a questão: “Pode esta secção equalizar a temperatura acima de $M_s$ antes de se transformar em martensita?” A temperabilidade do aço, a dimensão da secção, o atraso na transferência, o controlo do banho e o tempo de manutenção respondem a essas questões. Designar ambos os tratamentos como “têmpera a quente” obscurece a resposta e pode conduzir à especificação errada, à microestrutura errada ou à omissão da operação de revenido.

O Ponto de Partida Metalúrgico: Austenite, Diagramas TTT e Ms

A austêmpera e a martêmpera têm início na mesma condição metalúrgica: a austenite. A distinção entre os processos surge mais tarde, quando o aço austenitizado segue uma trajectória diferente de temperatura–tempo. A austenite possui uma estrutura cristalina cúbica de faces centradas e pode dissolver substancialmente mais carbono do que a ferrite. O aquecimento até ao domínio austenítico prepara, portanto, o carbono e os elementos de liga para uma transformação controlada durante o arrefecimento. Se o aço não for austenitizado de forma completa ou adequada, nenhum dos tratamentos seguirá o seu ciclo de transformação previsto.

Austenitização e dissolução das fases anteriores

A austenitização é mais do que atingir o valor de referência do forno. A peça deve ser aquecida suficientemente acima da temperatura crítica relevante, mantida durante tempo suficiente para que a secção atinja uma temperatura uniforme e tratada a uma temperatura que dissolva as fases anteriores necessárias sem provocar um crescimento excessivo do grão da austenite. A temperatura adequada depende da composição, da dimensão da secção, da microestrutura inicial e das propriedades finais pretendidas.

Num aço hipoeutectoide, o aquecimento acima da temperatura crítica superior transforma a ferrite e a perlita em austenite. Num aço hipereutectoide, o tratamento é normalmente seleccionado para dissolver a perlita e uma fracção adequada da cementite proeutectoide, embora a dissolução completa dos carbonetos possa não ser desejável. Os carbonetos de liga acrescentam outra complexidade. O crómio, o molibdénio, o vanádio e outros elementos formadores de carbonetos podem dissolver-se lentamente ou permanecer parcialmente não dissolvidos às temperaturas de austenitização habituais. A sua dissolução altera o teor de carbono e de elementos de liga da austenite, modificando assim a temperabilidade, a cinética de transformação e a temperatura de início da formação de martensite.

O AISI 52100 ilustra por que razão é importante uma interpretação específica para cada qualidade de aço. A sua população de carbonetos ricos em crómio e o elevado teor de carbono fazem com que o ciclo de austenitização seja diferente do de um aço ao carbono simples. Um tratamento que produza austenite adequada no AISI 52100 não pode ser transferido automaticamente para o AISI 8620 ou o AISI 4320. A superfície cementada do AISI 8620, 8822 ou 4320 apresenta também um gradiente de carbono, pelo que a superfície e o núcleo não possuem necessariamente as mesmas temperaturas de transformação nem as mesmas fracções martensíticas.

O tempo de manutenção tem dois efeitos opostos. Um tempo insuficiente pode deixar perlita, ferrite ou carbonetos não dissolvidos e produzir uma composição não uniforme da austenite. Um tempo excessivo promove o crescimento do grão, a oxidação, a descarburação e uma maior alteração dimensional. A dimensão do grão de austenite prévia afecta o número de locais de nucleação disponíveis para as transformações difusionais e pode alterar a temperabilidade. Uma austenite de grão grosseiro pode atrasar a formação de perlita ou bainite durante o arrefecimento, enquanto uma estrutura de grão fino tende frequentemente a transformar-se mais facilmente por difusão. A dimensão do grão pode também deslocar as temperaturas de transformação medidas, incluindo Ms, embora o seu efeito seja normalmente menor do que o do teor de carbono e da composição química da liga.

A austenitização estabelece também a condição inicial do diagrama temperatura–tempo. Uma curva TTT obtida após uma determinada temperatura de austenitização, tempo de manutenção e dimensão de grão não descreve necessariamente um aço austenitizado segundo outro ciclo. A história térmica é importante antes mesmo de começar a têmpera.

Os domínios de transformação da perlita, da bainite e da martensite

Um diagrama de transformação tempo–temperatura representa os produtos formados quando a austenite é rapidamente conduzida até uma temperatura seleccionada e mantida nessa temperatura. As conhecidas curvas em “C” mostram o início e o fim das transformações difusionais, mas as curvas correspondem a um determinado aço e a uma determinada condição de austenitização. Um diagrama genérico ferro-carbono pode explicar os conceitos; não pode especificar o ciclo de tratamento de todas as qualidades de aço de engenharia.

A temperaturas de transformação mais elevadas, a austenite pode formar perlita. O carbono difunde-se ao longo de distâncias relativamente grandes, produzindo ferrite e cementite alternadas. A temperaturas mais baixas, a difusão é mais lenta e a perlita resultante é mais fina. A transformação requer, ainda assim, tempo. Se o arrefecimento atravessar o domínio da perlita demasiado lentamente, parte ou a totalidade da austenite pode transformar-se antes de o aço atingir o domínio bainítico ou martensítico.

A bainite forma-se a temperaturas inferiores ao domínio da perlita e superiores à temperatura a que tem início a transformação martensítica, embora os domínios exactos se sobreponham de forma diferente consoante as ligas. A sua formação envolve uma redistribuição do carbono e uma componente displaciva, produzindo bainite ferrítica com padrões de precipitação ou retenção de carbonetos que dependem da temperatura e da composição química do aço. A bainite superior e a bainite inferior não são estruturas equivalentes. A temperatura de manutenção, a actividade do carbono, os elementos de liga e o tempo necessário para completar a transformação afectam a sua morfologia e as suas propriedades.

A austêmpera conduz intencionalmente o aço austenitizado para o domínio de transformação bainítica e mantém-no aí até que a fracção necessária de austenite se transforme. Um estudo de 2013 sobre o AISI 52100 descreveu a austêmpera como uma têmpera num meio mantido aproximadamente entre 200 e 400 °C, seguida de manutenção até à formação de bainite. Esse intervalo constitui uma descrição útil da experiência publicada, não um intervalo universal aplicável a todas as qualidades de aço. O estudo publicado na ACS Omega em 2024 estabelece directamente a distinção entre os processos: a austêmpera mantém o aço austenitizado a uma temperatura de transformação bainítica, enquanto a martêmpera o mantém brevemente a uma temperatura imediatamente superior a Ms antes do arrefecimento ao ar.

A martensite é diferente. Forma-se quando a austenite é arrefecida abaixo de Ms através de uma transformação por corte largamente sem difusão. O carbono permanece retido na rede tetragonal de corpo centrado supersaturada da martensite, e a transformação produz uma rápida alteração de volume. A quantidade de martensite aumenta à medida que o arrefecimento prossegue através do domínio de formação da martensite, frequentemente descrito com recurso a Mf, a temperatura de fim da formação de martensite. Pode permanecer alguma austenite não transformada se Mf estiver abaixo da temperatura ambiente ou se os elementos de liga baixarem o domínio de transformação.

A curva de arrefecimento deve, por conseguinte, ser comparada com a cinética de transformação, e não apenas com os nomes dos banhos. Um diagrama de transformação em arrefecimento contínuo mostra se uma velocidade de arrefecimento real evita os narizes da perlita e da bainite. Um diagrama TTT mostra o comportamento isotérmico e é útil para compreender os tratamentos com manutenção, mas não reproduz directamente o percurso de temperatura de uma peça de grandes dimensões que atravesse óleo, sal, polímero ou ar. O centro e a superfície de uma secção podem também seguir curvas diferentes. A dureza e a distribuição das fases dependem, então, das velocidades de arrefecimento locais, além da temperatura nominal do banho.

Temperatura de início da formação de martensite e domínio de transformação

Ms é a temperatura à qual tem início a transformação martensítica durante o arrefecimento, sob um conjunto definido de condições. Não é uma constante universal do “aço”. O carbono baixa geralmente Ms, porque estabiliza a austenite; elementos de liga como o manganês, o níquel, o crómio e o molibdénio também podem alterar a estabilidade da austenite e deslocar o domínio de transformação. A concentração de carbono pode variar entre a camada cementada e o núcleo de baixo carbono, conferindo às duas regiões valores diferentes de Ms.

A dimensão do grão de austenite prévia, a temperatura de austenitização, os carbonetos dissolvidos, as tensões residuais e a história térmica de aquecimento e arrefecimento anterior podem também afectar as temperaturas de início e de fim medidas. A austenite retida, a segregação e as variações químicas locais complicam ainda mais as medições práticas. O valor de Ms assinalado num diagrama está, consequentemente, associado a uma composição e a uma história térmica especificadas, e não simplesmente ao nome de uma qualidade de aço.

A martêmpera utiliza esta dependência da temperatura de forma controlada. O ASM Handbook Volume 4A (2013) define-a como uma têmpera interrompida com utilização de óleo ou sal e identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo. O banho é seleccionado imediatamente acima de Ms, para que a peça possa uniformizar internamente a sua temperatura antes do início da formação de martensite. É depois arrefecida através do domínio martensítico, normalmente ao ar, e deve ser revenida antes de entrar em serviço. A breve manutenção destinada à uniformização reduz a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo; não é uma manutenção bainítica.

A austêmpera tem um objectivo de transformação oposto. Mantém a peça durante tempo suficiente no domínio bainítico para que a austenite se transforme em bainite, em vez de se limitar a uniformizar a temperatura acima de Ms. Um estudo de 2020 sobre austêmpera a baixa temperatura registou nanobainite, martensite e austenite retida, com coeficientes de desgaste até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado nas condições de ensaio especificadas. Esse resultado não pode ser atribuído a todos os aços, geometrias ou ciclos de tratamento. Demonstra, contudo, por que razão o domínio de transformação e o tempo de manutenção devem ser verificados para a qualidade de aço efectivamente utilizada.

A SAE AMS-H-6875C (2020) abrange os requisitos de tratamento térmico para quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando especificadas. Essa autorização não torna os processos permutáveis. A especificação aplicável, o diagrama específico da qualidade de aço, a dimensão da secção e a história térmica medida determinam se o produto pretendido é bainite, martensite após martêmpera ou uma mistura indesejada.

Como funciona a austêmpera: têmpera, manutenção e transformação bainítica

A austêmpera é um ciclo de tratamento térmico isotérmico concebido para transformar a austenite em bainite. Não é simplesmente outro nome para a martêmpera. A distinção depende do que acontece durante a manutenção: na austêmpera, o aço é mantido durante tempo suficiente para ocorrer uma transformação bainítica planeada, enquanto na martêmpera a manutenção dura apenas o tempo necessário para que a temperatura se torne praticamente uniforme antes do arrefecimento através da temperatura de início da martensite, ou $M_s$, para formar martensite.

O ciclo começa pelo aquecimento da peça acima do intervalo crítico de transformação, de modo que a parte necessária da estrutura se transforme em austenite. A temperatura e o tempo de austenitização dependem do tipo de aço, da dimensão da secção, da microestrutura inicial e da distribuição de carbono pretendida. Um aquecimento excessivo pode aumentar o tamanho de grão da austenite ou dissolver carbonetos que deveriam permanecer, enquanto um aquecimento insuficiente pode deixar ferrite ou constituintes não dissolvidos que alteram a resposta final à transformação.

Têmpera para o intervalo bainítico

Após a austenitização, o aço é transferido rapidamente para um banho mantido dentro do intervalo de transformação bainítica. Para muitos aços, este intervalo situa-se aproximadamente entre 200 e 400 °C, embora a janela de temperatura utilizável seja específica de cada tipo de aço, e não fixa. Um estudo sobre o AISI 52100 define a austêmpera nestes termos: têmpera a partir da temperatura de austenitização para um meio mantido entre aproximadamente 200 e 400 °C, seguida de manutenção até à formação de bainite.

A transferência tem de ser suficientemente rápida para atravessar a região da perlite sem permitir que uma quantidade significativa de austenite se transforme durante o arrefecimento. Trata-se de um problema de tempo e temperatura. O aço tem de atravessar o “nariz” da perlite no seu diagrama de transformação tempo-temperatura antes de ser atingido o tempo de incubação da perlite. A temperabilidade, a espessura da secção, a disposição da carga, a agitação do banho e a diferença de temperatura entre a peça e o banho influenciam a verificação dessa condição. Um pino pequeno pode entrar rapidamente no intervalo bainítico; um dente de engrenagem pesado ou uma chapa espessa podem arrefecer de forma não uniforme, permitindo a formação de perlite ou ferrite no interior, mesmo quando a superfície segue o ciclo pretendido.

O banho pode conter sal fundido, óleo ou outro meio controlado de transferência de calor adequado à temperatura especificada. O nome do banho não define o processo. Um banho de sal pode ser utilizado tanto num ciclo de austêmpera como num ciclo de martêmpera, dependendo da sua temperatura e da duração da manutenção. O estudo da ACS Omega publicado em 2024 estabelece diretamente esta distinção para misturas de sais fundidos de Ca(NO₃)₂–KNO₃: na austêmpera, o aço austenitizado é mantido a uma temperatura de transformação bainítica até a austenite se converter em bainite, enquanto na martêmpera a peça é mantida brevemente imediatamente acima de $M_s$ antes do arrefecimento ao ar.

O controlo da temperatura deve ter em conta o calor libertado e absorvido durante a transformação, bem como a carga que entra no banho. A agitação reduz os gradientes térmicos locais e ajuda a impedir que uma camada-limite mais fria ou mais quente altere o ciclo efetivo. São frequentemente necessários termopares, calibração do banho e ensaios com cargas representativas para determinar se o núcleo, a superfície e as diferentes posições da carga seguem efetivamente o percurso pretendido. O processo é sensível à dimensão da secção, porque o banho pode uniformizar a temperatura da superfície antes de o centro ter atingido a mesma temperatura.

O banho de austêmpera é normalmente selecionado acima da temperatura $M_s$ efetiva do aço quando o produto pretendido é bainite convencional. A este nível, a austenite pode transformar-se através de um mecanismo assistido por difusão e dominado pelo corte, sem produzir imediatamente martensite. Arrefecer abaixo de $M_s$ antes de concluída a transformação bainítica planeada altera o resultado: a austenite não transformada pode então converter-se em martensite, produzindo uma estrutura mista.

Manutenção até à transformação necessária da austenite

Assim que a peça atinge a temperatura do banho, é mantida isotermicamente. Durante esta fase, a bainite nucleia nos limites de grão da austenite ou noutros locais favoráveis e cresce para o interior da austenite circundante. O carbono é rejeitado pela ferrite bainítica para a austenite remanescente, alterando a estabilidade e a composição de ambas as regiões. A velocidade de transformação depende da temperatura, da composição da liga, do tamanho de grão da austenite anterior e da quantidade de bainite já formada.

O tempo de manutenção não é selecionado com base numa regra universal como “uma hora por polegada”. Deve basear-se em dados de transformação, ensaios de processo validados ou num diagrama de transformação tempo-temperatura adequado. Uma manutenção curta pode deixar intencionalmente alguma austenite sem transformar. Se o aço for depois arrefecido abaixo de $M_s$, essa austenite residual pode formar martensite. Uma manutenção mais longa pode converter a maior parte ou quase toda a austenite transformável em bainite, reduzindo a fração martensítica formada posteriormente. Ambos os ciclos podem estar corretos, mas produzem diferentes níveis de dureza, tenacidade, resposta dimensional e austenite retida.

Transformação incompletaTransformação incompleta Condição em que a reacção bainítica termina antes de toda a austenite transformável se ter convertido, deixando a possibilidade de austenite retida ou de martensite formada posteriormente.

A transformação também pode parar antes de toda a austenite se transformar em bainite, porque o enriquecimento em carbono estabiliza a austenite remanescente. Esta condição é frequentemente designada por transformação incompleta ou reação incompleta. Em alguns aços ligados, a austenite residual enriquecida é desejável, pois pode acomodar a deformação e melhorar a tenacidade; noutras aplicações, uma quantidade excessiva de austenite retida pode provocar alterações dimensionais durante o serviço ou durante um arrefecimento posterior. Por conseguinte, a especificação deve definir não só a temperatura do banho, mas também a constituição de fases permitida e o método de verificação.

Temperatura de austêmpera (°C)

A austêmpera pode reduzir a deformação porque o aço evita a alteração volumétrica abrupta e não uniforme associada à têmpera direta para formar martensite. Um estudo da SAE realizado em 2013 sobre os aços cementados AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 registou uma deformação significativamente menor em provetes cementados e submetidos a austêmpera do que em provetes cementados, temperados e revenidos. As temperaturas de austêmpera indicadas foram 260, 288 e 304 °C. Estes resultados aplicam-se às composições químicas, geometrias e condições de ciclo testadas; não estabelecem a mesma redução para todos os componentes cementados.

O fim da manutenção pode ser determinado por uma fração mínima de bainite requerida, por um intervalo de dureza, por um limite dimensional ou por um requisito metalográfico. O aço bainítico submetido a austêmpera não requer automaticamente a mesma etapa de revenido que a martensite. Em contrapartida, o aço submetido a martêmpera é arrefecido através de $M_s$ para formar martensite e deve posteriormente ser revenido antes de entrar em serviço. Um tratamento de alívio de tensões a baixa temperatura pode ainda ser especificado para uma peça submetida a austêmpera, mas trata-se de um requisito separado, e não da etapa de transformação que define o processo.

Bainite superior, bainite inferior e produtos mistos

A temperatura do banho influencia fortemente a forma da bainite. A bainite superior forma-se geralmente na parte mais alta do intervalo bainítico. É constituída por feixes ou ripas de ferrite bainítica, com regiões enriquecidas em carbono entre elas, onde podem precipitar carbonetos. A sua morfologia e distribuição de carbonetos diferem das da bainite inferior, que se forma a temperaturas mais baixas.

A bainite inferior desenvolve-se a temperaturas mais próximas de $M_s$. O carbono dispõe de menos tempo e mobilidade para se redistribuir na austenite circundante, e os carbonetos podem precipitar no interior das placas ou ripas de ferrite bainítica. Esta estrutura mais fina pode proporcionar um equilíbrio diferente entre dureza, resistência e tenacidade relativamente à bainite superior. A transição entre bainite superior e inferior não ocorre a uma única temperatura universal, porque os elementos de liga deslocam os intervalos de transformação e alteram a precipitação de carbonetos.

A austêmpera de curta duração e baixa temperatura produziu coeficientes de desgaste até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado no estudo comunicado. Limited evidence

A austêmpera a temperaturas muito baixas pode produzir estruturas que não são adequadamente descritas como um único produto bainítico completamente transformado. Um estudo de 2020 sobre austêmpera de curta duração a baixa temperatura num aço de médio carbono e baixa liga registou nanobainite juntamente com martensite e austenite retida. Os coeficientes de desgaste registados foram até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado nas condições de ensaio do estudo. Esse valor constitui evidência para o aço e o método de desgaste testados, e não uma garantia geral de desempenho.

Os produtos mistos surgem quando a manutenção é deliberadamente interrompida antes de a reação bainítica estar concluída, quando a temperatura selecionada se aproxima do limite inferior de transformação ou quando a secção não consegue arrefecer uniformemente. Durante o arrefecimento subsequente, a austenite não transformada pode converter-se em martensite; uma parte pode permanecer como austenite retida se o enriquecimento em carbono reduzir a sua temperatura $M_s$ efetiva. A estrutura final pode, portanto, conter bainite superior, bainite inferior, martensite, austenite retida e, se a transferência tiver sido demasiado lenta, perlite.

A qualificação do processo deve analisar a dureza, a alteração dimensional, as frações de fases metalográficas e a austenite retida, quando relevante. A difração de raios X, a microscopia, a dilatometria e o exame de cargas seccionadas podem confirmar se o produto real corresponde ao ciclo pretendido. A SAE AMS-H-6875C, publicada em 2020, abrange os requisitos de tratamento térmico para quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando especificadas. Essa autorização não substitui o desenvolvimento de um ciclo específico para cada tipo de aço. A designação do aço, a temperabilidade, a dimensão da secção, a capacidade do banho e os critérios de aceitação continuam a determinar se o ciclo de austêmpera escolhido é metalurgicamente bem-sucedido.

Como funciona a martêmpera: equalização acima de Ms, seguida de martensite

A martêmpera é uma têmpera interrompida concebida para controlar quando e onde se forma a martensite. Não é austêmpera com outro nome. Na austêmpera, a austenite é mantida dentro do intervalo de transformação bainítica até que uma parte significativa ou determinada se transforme em bainite. Na martêmpera, a manutenção ocorre imediatamente acima da temperatura de início da formação de martensite, ou Ms, e é suficientemente curta para evitar uma transformação difusional indesejada. Depois de a temperatura se ter uniformizado através do aço, a peça é arrefecida através do intervalo de formação de martensite. A estrutura final é, portanto, martensítica, não bainítica, e permanece não revenida até à realização de uma operação de revenido separada.

Têmpera interrompida acima do início da formação de martensite

O ASM Handbook, Volume 4A, descreve a martêmpera como uma têmpera interrompida que utiliza óleo ou sal. Primeiro, o aço é aquecido até à temperatura de austenitização especificada, na qual se estabelecem a estrutura austenítica pretendida e a distribuição do carbono. Em seguida, é rapidamente transferido para um banho mantido a uma temperatura imediatamente acima de Ms. O banho deve remover calor suficientemente depressa para evitar a formação de perlite ou de outros produtos de transformação a alta temperatura, mas a interrupção impede que a superfície fique muito mais fria do que o núcleo antes do início da formação de martensite.

Ms não é uma temperatura universal para todos os aços. Depende do teor de carbono, dos elementos de liga, do estado do grão austenítico, do historial térmico anterior e, em alguns casos, da quantidade de austenite retida esperada após o arrefecimento. Assim, um aço ao carbono simples e um aço de baixa liga cementado podem exigir temperaturas de banho de martêmpera diferentes. O banho é selecionado com uma margem suficiente acima da Ms aplicável, não mediante a aplicação de uma única temperatura fixa a todos os tipos de aço.

O período de manutenção é a interrupção que define o processo. Deve ser suficientemente longo para reduzir a diferença de temperatura entre a superfície e o centro, mantendo-se, contudo, suficientemente curto para evitar a formação de bainite, perlite ou outro produto difusional. Este requisito distingue a martêmpera da austêmpera de forma mais fiável do que o nome do banho. Um banho de sal fundido pode ser utilizado em qualquer dos processos; é o percurso de transformação e o programa de manutenção que determinam qual dos processos está a ser realizado.

A publicação ASM Handbook Volume 4A de 2013, da ASM International, identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo. Estas variáveis interagem entre si. Uma agitação excessiva pode aumentar a extração de calor na superfície, enquanto uma agitação insuficiente pode produzir diferenças locais de temperatura no banho. Um banho nominalmente acima de Ms, mas deficientemente controlado, pode ainda produzir um programa de transformação desigual em toda uma carga de grandes dimensões.

A temperatura deve permanecer suficientemente elevada para suprimir a formação de martensite durante a manutenção. Se a peça atingir Ms no banho, a martensite pode começar a formar-se antes de a secção ter atingido uma temperatura uniforme. Se a manutenção for demasiado longa ou a temperatura demasiado baixa, pode formar-se bainite. Trata-se de uma falha do processo quando a especificação exige martensite.

Equalização da temperatura ao longo da secção

A têmpera convencional cria um gradiente térmico acentuado. A superfície arrefece primeiro, enquanto o interior permanece mais quente e continua a expandir-se termicamente. Quando a superfície atravessa Ms, começa a transformar-se em martensite e expande-se à medida que a austenite altera a sua estrutura cristalina. O núcleo pode ainda ser austenítico e estar a uma temperatura diferente. Mais tarde, quando o núcleo se transforma, a sua expansão é restringida pelo material exterior já transformado. Estas deformações concorrentes geram tensões internas, distorção e, por vezes, fissuração de têmpera.

A martêmpera altera a sequência temporal. A peça quente é temperada no banho, mas é mantida acima de Ms até que a temperatura se torne mais uniforme desde o exterior até ao centro. A formação de martensite é então iniciada durante uma etapa de arrefecimento subsequente, em vez de ocorrer enquanto a superfície e o núcleo se encontram a temperaturas muito diferentes. A redução do gradiente térmico no momento da transformação diminui a incompatibilidade entre a contração térmica e a deformação de transformação.

O benefício é uma menor probabilidade de distorção e fissuração, não a eliminação de nenhuma delas. Uma chapa fina, um dente de engrenagem e um veio pesado não atingem a uniformização à mesma velocidade. A espessura da secção, a geometria, os furos, as alterações bruscas de secção e o contacto entre peças afetam a transferência de calor. A temperabilidade do aço também é importante: o centro deve arrefecer através do intervalo de transformação a uma velocidade suficientemente elevada para evitar perlite ou bainite, caso seja necessária uma estrutura predominantemente martensítica.

Um tipo de aço de elevada temperabilidade pode permitir uma velocidade de arrefecimento mais baixa após a equalização, ao passo que um tipo de baixa temperabilidade pode exigir uma interrupção mais curta e um arrefecimento mais rápido. O teor de carbono e de elementos de liga também altera Ms e a cinética de transformação. Por esta razão, a temperatura do banho e o tempo de manutenção devem ser estabelecidos com base no tipo de aço, na dimensão da secção, na disposição da carga e na resposta térmica medida, e não copiados de uma tabela genérica.[2][2] The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided

O estudo de 1946 sobre o intervalo de temperaturas de formação de martensite descreveu a fundamentação básica como a têmpera até imediatamente acima do intervalo de formação de martensite, seguida de um arrefecimento mais lento. O método pode reduzir a fissuração sacrificando pouca dureza, desde que o aço permaneça isento de transformações difusionais indesejadas. “Mais lentamente” não significa de forma arbitrariamente lenta; significa suficientemente devagar para reduzir o choque térmico, mas ainda atravessando o intervalo de transformação a uma velocidade adequada ao aço.

Arrefecimento ao ar e a etapa obrigatória de revenido

Após a equalização, a peça é retirada do óleo ou do sal e arrefecida através do intervalo de formação de martensite, normalmente ao ar. O Heat Treating Subject Guide da ASM, de 2020, descreve esta sequência como a manutenção do aço imediatamente acima de Ms até a sua temperatura se uniformizar, seguida de arrefecimento ao ar para formar martensite. Durante esta etapa, a austenite transforma-se sem a diferença severa de temperatura entre a superfície e o núcleo associada à têmpera direta.

A martensite resultante não é revenida. Este ponto é essencial. A martêmpera não inclui o revenido simplesmente porque a peça foi arrefecida por etapas. A martensite formada durante o arrefecimento ao ar é dura e contém tensões internas elevadas; pode também conter austenite retida, dependendo do aço e do percurso de arrefecimento. A peça deve ser submetida a um tratamento de revenido separado antes de entrar em serviço. O revenido reduz as tensões e a fragilidade e ajusta a dureza, a resistência, a tenacidade e a estabilidade dimensional de acordo com a especificação.

A temperatura e o tempo de revenido dependem do tipo de aço e das propriedades exigidas. A um aço de rolamentos de elevado teor de carbono, como o AISI 52100, não pode ser atribuído o mesmo programa de revenido que a um tipo de aço de cementação, como o AISI 8620. Uma camada cementada e um núcleo de baixo teor de carbono também respondem de forma diferente; por isso, quando aplicável, as propriedades exigidas devem ser verificadas em ambas as regiões.

A SAE AMS-H-6875C, Heat Treatment of Steel Raw Materials, abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera em ausbay e a martêmpera quando especificadas. A designação do processo, por si só, não estabelece os critérios de aceitação. O controlo da produção pode exigir o registo das temperaturas de austenitização e do banho, do tempo de transferência, do tempo de interrupção, das condições de agitação, dos registos de revenido, dos ensaios de dureza, do exame metalográfico e das medições dimensionais.

A verificação deve também procurar os modos de falha que o programa se destina a evitar. Os perfis de dureza podem revelar um núcleo macio causado por temperabilidade insuficiente ou por uma interrupção excessiva. A metalografia pode distinguir martensite de bainite e identificar perlite ou uma quantidade excessiva de austenite retida. A inspeção dimensional antes e depois do tratamento térmico mostra se a redução das tensões de transformação produziu a melhoria esperada para a geometria efetiva.

O processo apresenta, portanto, uma sequência precisa: austenitizar, temperar rapidamente em óleo ou sal mantido imediatamente acima de Ms, manter apenas até a secção atingir uma temperatura uniforme sem transformação difusional, arrefecer através do intervalo de formação de martensite e revenir. Transformar a manutenção num tratamento de transformação bainítica altera o processo para austêmpera. Alterar ou omitir a etapa de revenido pós-têmpera não é uma opção; sem ela, o aço martemperado é simplesmente aço martensítico não revenido, obtido através de um percurso controlado de formação.

Microestruturas e Propriedades: Bainite versus Martensite Revenida

A austêmpera e a martêmpera podem reduzir as tensões de têmpera, mas não produzem a mesma estrutura final. Na austêmpera, o aço austenitizado é arrefecido rapidamente até uma temperatura à qual se pode formar bainite, sendo mantido nessa temperatura durante o tempo suficiente para a transformação pretendida. O produto pode ser bainite superior, bainite inferior ou uma mistura que ainda contenha austenite não transformada e, após o arrefecimento final, martensite. Um estudo de 2013 sobre AISI 52100 descreve o intervalo de austêmpera como sendo aproximadamente de 200–400 °C, com a manutenção da temperatura a prosseguir até à formação de bainite.

A martêmpera segue uma via diferente. A peça é mantida brevemente em óleo ou sal, imediatamente acima da temperatura de início da formação de martensite, permitindo que a secção atinja uma temperatura mais uniforme antes de ser arrefecida através do intervalo martensítico. A martensite resultante não está numa condição pronta para serviço: deve ser posteriormente revenida. O Heat Treating Subject Guide (2020) da ASM International indica diretamente esta sequência. O ASM Handbook Volume 4A (2013) identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo.

A distinção é importante porque a bainite e a martensite revenida obtêm a sua resistência através de diferentes disposições de ferrite, carbono e carbonetos. A sua dureza pode sobrepor-se, mas a sobreposição de dureza não torna o seu comportamento mecânico permutável.

Resistência, dureza, tenacidade e ductilidade

A bainite é constituída por regiões ferríticas formadas por uma transformação displaciva, com o carbono a ser rejeitado para a austenite ou a precipitar sob a forma de carbonetos, dependendo da temperatura de transformação e da composição química da liga. A bainite superior contém geralmente ripas ou placas de ferrite com carbonetos entre elas. A bainite inferior forma-se a temperaturas mais baixas e apresenta carbonetos mais finos no interior das placas ferríticas ou estreitamente associados a estas. A morfologia exata varia com o teor de carbono, os elementos de liga adicionados, a velocidade de arrefecimento e o tempo de manutenção.

A martensite revenida começa por ser uma fase tetragonal de corpo centrado, sobressaturada e altamente tensionada. Durante o revenido, o carbono abandona a martensite, formam-se carbonetos de transição e, posteriormente, carbonetos mais estáveis, enquanto a matriz perde grande parte da sua tetragonalidade e das tensões internas. A temperatura e a duração do revenido determinam até que ponto essa sequência prossegue. Uma temperatura de revenido baixa pode preservar uma dureza elevada, mantendo simultaneamente uma tensão residual substancial; uma temperatura de revenido mais alta normalmente reduz a dureza, mas melhora a tenacidade e a estabilidade dimensional. Uma exposição prolongada pode produzir um amolecimento adicional ou um endurecimento secundário em aços que contenham elementos como crómio, molibdénio ou vanádio.

Nem a bainite nem a martensite revenida apresentam uma vantagem universal em termos de dureza. A bainite inferior fina pode ser muito dura, enquanto a bainite superior pode ser mais macia e dúctil. Uma estrutura martensítica revenida a baixa temperatura pode exceder a dureza de uma determinada estrutura bainítica; contudo, um revenido mais elevado pode conferir ao aço martensítico uma dureza inferior e uma maior resistência à fratura. O teor de carbono, o tamanho de grão da austenite prévia, a temperabilidade da liga, a temperatura de transformação e a quantidade de cada constituinte devem ser especificados antes de uma comparação ter significado.

A tenacidade segue a mesma regra. A ferrite bainítica pode proporcionar uma combinação favorável de resistência e de resistência ao início de fissuras quando as suas placas são finas e os filmes de carbonetos são controlados. A bainite grosseira, a austenite não transformada ou a martensite fresca de elevado teor de carbono formada durante o arrefecimento final podem reduzir essa vantagem. A martensite revenida pode oferecer uma tenacidade elevada quando o revenido alivia as tensões e refina a distribuição dos carbonetos, mas um revenido insuficiente deixa uma estrutura frágil. Um revenido excessivo pode sacrificar a resistência.

A ductilidade não é simplesmente uma consequência da escolha de um processo. Depende da fração volúmica e da morfologia da bainite, da martensite, da austenite retida, dos carbonetos, das inclusões e de quaisquer regiões ricas em carbono. Uma estrutura mista pode apresentar um alongamento útil, continuando a conter constituintes locais frágeis. A resistência à tração, a tensão de cedência, a energia de impacto, a tenacidade à fratura, o desempenho à fadiga e a resistência ao desgaste devem, por isso, ser medidos separadamente, em vez de serem inferidos apenas a partir da dureza.

A distorção também pode ser diferente. Uma investigação sobre AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 cementados utilizou temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C e registou uma distorção significativamente menor do que a observada em provetes cementados, temperados e revenidos. Esse resultado reflete as geometrias e os ciclos testados para as peças cementadas, não constituindo uma garantia geral. A martêmpera reduz os gradientes térmicos antes da formação de martensite, pelo que também pode reduzir a fissuração e a distorção em comparação com uma têmpera direta, embora a transformação martensítica continue a provocar uma alteração de volume.

Austenite retida e misturas de transformação

A austêmpera é frequentemente descrita como produzindo bainite, mas “bainítica” não significa necessariamente 100% de bainite. Se a manutenção terminar antes de a austenite se ter transformado, a austenite remanescente pode persistir como austenite retida ou transformar-se em martensite durante o arrefecimento subsequente. O enriquecimento em carbono da austenite remanescente pode estabilizar uma parte dela à temperatura ambiente. O resultado pode ser bainite mais austenite retida, bainite mais martensite ou bainite mais ambas.

Esta mistura afeta fortemente as propriedades. A austenite retida pode melhorar a ductilidade aparente e absorver a deformação de transformação, mas também pode transformar-se sob carga, durante a retificação ou em serviço. Essa transformação pode causar uma alteração dimensional, um endurecimento local ou tensões residuais. A martensite formada a partir da austenite não transformada após a manutenção de austêmpera pode ser mais dura e mais frágil do que a bainite formada no banho. A difração de raios X, a metalografia, a dilatometria e o mapeamento de dureza podem ajudar a identificar estes constituintes; um único valor de dureza global não pode fazê-lo.[3][3] Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel. Metal and Materials International, 2020.

O estudo de 2020 sobre austêmpera de curta duração e baixa temperatura num aço microligado de médio teor de carbono ilustra esta limitação. A estrutura descrita continha nanobainite, martensite e austenite retida, e não uma única fase. Nas condições de ensaio, os seus coeficientes de desgaste foram até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado. Trata-se de uma comparação delimitada: aplica-se ao aço estudado, à preparação dos provetes, ao ciclo de austêmpera, ao contracorpo, à carga e ao ensaio de desgaste utilizados. Não demonstra que todo o aço austemperado terá metade da taxa de desgaste de todo o aço temperado e revenido.

A martêmpera também pode produzir misturas de transformação, mas a sua sequência pretendida é diferente. A manutenção de equalização acima da temperatura de início da formação de martensite deve ser suficientemente curta para evitar uma formação significativa de bainite. Após o arrefecimento ao ar através do intervalo martensítico, o aço contém martensite, frequentemente com alguma austenite retida e, possivelmente, carbonetos não dissolvidos. O revenido altera então a matriz martensítica e o estado dos carbonetos. Se o tratamento de austenitização tiver dissolvido carbono em excesso, ou se o aço tiver elevada temperabilidade e o percurso de arrefecimento final for inadequado, pode permanecer uma quantidade substancial de austenite retida.

O artigo da SAE sobre martêmpera modificada distingue esse processo ao colocar o banho de têmpera abaixo da temperatura de início da formação de martensite, para evitar a formação de bainite. Este pormenor demonstra por que razão a temperatura do banho, por si só, não é uma designação de processo suficiente: a relação entre a temperatura do banho, a temperatura de início da formação de martensite, o tempo de manutenção e o percurso de arrefecimento controla as fases que efetivamente se formam.

Por que razão as afirmações sobre propriedades devem ser específicas para cada qualidade

A qualidade do aço determina a cinética de transformação. O aço de rolamentos AISI 52100, o aço de cementação AISI 8620, o AISI 8822, o AISI 4320 e um aço microligado de médio teor de carbono não apresentam o mesmo teor de carbono, composição de liga, temperabilidade, temperatura de início da formação de martensite, estabilidade dos carbonetos ou resposta ao revenido. Mesmo dentro de uma mesma designação, a dimensão da secção e a prática de austenitização podem alterar a velocidade de arrefecimento no centro o suficiente para produzir estruturas diferentes.

A especificação também define o processo permitido e os critérios de aceitação. A SAE AMS-H-6875C: Heat Treatment of Steel Raw Materials abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando especificadas. Essa permissão não atribui um valor único de dureza, tenacidade ou limite de austenite retida a todas as qualidades. A especificação aplicável do material, o desenho, o procedimento de tratamento térmico e o método de inspeção devem fornecer esses limites.

Uma comparação válida indica, portanto, a qualidade ou composição química do aço, a temperatura de austenitização, o tempo de transferência, a temperatura do banho, a duração da manutenção, o método de arrefecimento, a temperatura e o tempo de revenido, a dimensão da secção e o método de ensaio. A dureza deve ser associada a um exame microestrutural e, quando relevante, à medição da austenite retida e à inspeção dimensional. Sem esses pormenores, afirmações como “a austêmpera proporciona maior tenacidade” ou “a martêmpera proporciona maior dureza” são demasiado abrangentes para serem tecnicamente fiáveis.

Controlo da Distorção, Fissuração e Tensão Residual

Porque é que a têmpera direta cria tensões térmicas e de transformação

A têmpera direta submete o aço austenitizado a um gradiente térmico acentuado. A superfície entra primeiro em contacto com o meio de arrefecimento, contrai-se enquanto o núcleo permanece quente e expandido e, por isso, fica restringida pelo interior mais quente. A superfície pode entrar em compressão durante a fase inicial do arrefecimento, enquanto o núcleo suporta tensão de tração. À medida que o arrefecimento prossegue, o núcleo contrai-se e o padrão de tensões pode inverter-se. Secções finas, cantos vivos, furos e mudanças na espessura da secção amplificam estas diferenças, porque arrefecem a velocidades diferentes.

Segue-se um segundo fenómeno à contração térmica: a austenite transforma-se. Nos aços-carbono simples e nos aços de baixa liga, a martensite tem um volume específico superior ao da austenite de origem. A temperatura à qual este processo se inicia é a temperatura de início da formação de martensite, ou $M_s$. Se uma camada superficial atingir $M_s$ enquanto o núcleo ainda é austenítico, a superfície expande-se devido à transformação martensítica, enquanto o núcleo continua a contrair-se termicamente. A expansão resultante da transformação não é uniforme ao longo da secção, pelo que se adiciona à tensão térmica existente, em vez de a substituir.

O estado de tensões resultante depende da sequência temporal. Por exemplo, numa engrenagem cementada, a transformação pode ocorrer primeiro na camada cementada, enriquecida em carbono, enquanto o núcleo, com menor teor de carbono, se transforma mais tarde ou permanece parcialmente austenítico. Uma camada martensítica dura e relativamente frágil pode então conter tensão residual de tração, sobretudo junto a descontinuidades geométricas. Esta combinação favorece a formação de fissuras de têmpera. Mesmo quando não ocorre fissuração, a contração desigual em torno de um furo ou ao longo de um dente pode provocar ovalização, excentricidade, flexão ou alteração do espaçamento entre dentes.

A severidade do arrefecimento é apenas uma parte do problema. A temperatura de austenitização controla o tamanho de grão e a quantidade de carbono e de elementos de liga dissolvidos na austenite; a agitação altera o coeficiente de transferência de calor; e a temperabilidade determina se o núcleo se transforma em martensite ou em produtos mais macios, como bainite ou perlite. O ASM Handbook, Volume 4A (2013), identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis importantes da martêmpera. Essas mesmas variáveis influenciam a distorção resultante da têmpera direta, juntamente com a geometria, o padrão de carregamento, os dispositivos de fixação e o estado da camada cementada.

Como a têmpera interrompida altera o histórico de tensões

A martêmpera altera a sequência dos acontecimentos, em vez de simplesmente selecionar um banho diferente. A peça quente, austenitizada, é arrefecida rapidamente num banho de óleo ou de sal fundido mantido ligeiramente acima da sua temperatura $M_s$. A peça é mantida nesse banho durante tempo suficiente para que a superfície e o núcleo atinjam uma temperatura mais próxima da uniformidade, mas não durante tempo suficiente para que se forme bainite ou perlite. Em seguida, a peça é arrefecida através do intervalo de formação da martensite, normalmente ao ar ou sob outra condição controlada de baixa severidade, e é revenida antes de entrar em serviço.

Esta equalização da temperatura reduz a diferença térmica existente quando a martensite começa a formar-se. A superfície e o núcleo continuam a não se transformar exatamente no mesmo instante, e a transformação martensítica continua a produzir expansão, mas o gradiente térmico e a restrição associada são menores. A martêmpera reduz, por conseguinte, a distorção e a probabilidade de fissuração de têmpera; não elimina nenhuma delas. Um componente complexo pode ainda deformar-se se as suas secções tiverem tempos de arrefecimento diferentes, se o banho for inadequadamente controlado ou se a sua temperabilidade produzir um padrão de transformação não uniforme.

O 2020 ASM Heat Treating Subject Guide descreve diretamente o ciclo: o aço é mantido ligeiramente acima de $M_s$ até a temperatura se uniformizar e, em seguida, é arrefecido ao ar para que se forme martensite, sendo depois revenido. O revenido não é opcional em condições normais de serviço, porque a martensite no estado temperado apresenta elevada tensão interna e resistência limitada à fratura. A temperatura e o tempo finais devem ser adequados ao tipo de aço, às dimensões, ao requisito de dureza e à condição da austenite retida.

A austêmpera tem uma finalidade diferente. O aço austenitizado é arrefecido num banho mantido dentro do intervalo de transformação bainítica — aproximadamente entre 200 e 400 °C, segundo a definição apresentada para o AISI 52100 — e mantido até que a fração necessária de austenite se transforme em bainite. O arrefecimento subsequente produz uma estrutura bainítica, possivelmente com austenite retida ou martensite se a manutenção for incompleta. O estudo publicado em 2024 na ACS Omega distingue este ciclo da martêmpera: na austêmpera, a manutenção prossegue até a austenite se converter em bainite, enquanto na martêmpera a temperatura é brevemente uniformizada acima de $M_s$, permitindo depois que a martensite se forme durante o arrefecimento.

Como a bainite se forma isotermicamente depois de a peça ter atingido uma temperatura do banho relativamente uniforme, a austêmpera evita a sequência térmica severa entre a superfície e o núcleo característica da têmpera direta. A transformação bainítica distribui também a sua deformação ao longo da manutenção, em vez de concentrar a expansão martensítica através de um gradiente térmico em movimento. A distorção e a tensão residual podem, consequentemente, ser menores, mas apenas quando a temperabilidade do aço, o tamanho da secção e a cinética de transformação permitem que toda a secção atinja o banho e complete a reação pretendida antes da formação de perlite ou de martensite indesejada.

A martêmpera e a austêmpera não são, portanto, designações intercambiáveis para uma têmpera de distorção reduzida. A martêmpera continua a produzir martensite e requer um revenido subsequente. A austêmpera procura obter bainite e utiliza uma manutenção isotérmica suficientemente longa para esse efeito. As especificações podem permitir ambos os processos: a SAE AMS-H-6875C (2020), que abrange o tratamento térmico de quatro classes de aço, enumera a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando o requisito aplicável as especifica. O registo do processo deve identificar o percurso efetivo de temperatura-tempo, não se limitando a declarar que a peça foi “temperada em sal”.

A evidência obtida em aços de baixa liga cementados

A austêmpera produziu menos distorção do que a cementação seguida de têmpera e revenido convencionais nos provetes testados de AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320. Limited evidence

O artigo da SAE “Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels”, SAE 2013-01-0949, analisou os aços cementados AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320. A comparação foi feita entre provetes cementados e austemperados e provetes cementados, temperados de forma convencional e revenidos. Os tratamentos de austêmpera utilizaram temperaturas do banho de 260, 288 e 304 °C. O resultado referido foi uma distorção significativamente menor nos provetes cementados e austemperados.

Esta conclusão é coerente com o mecanismo de tensões. A cementação cria um gradiente de carbono: a camada cementada apresenta maior teor de carbono, maior temperabilidade e uma temperatura $M_s$ diferente da do núcleo. Durante a têmpera direta, a camada e o núcleo arrefecem e transformam-se, portanto, segundo ciclos diferentes. A austêmpera substitui essa sequência martensítica rápida e espacialmente não uniforme por uma manutenção bainítica controlada, depois de o componente se ter aproximado da temperatura do banho. A menor distorção é credível e metalurgicamente consistente, mas não constitui um fator de correção universal para todas as engrenagens, veios ou pistas de rolamento.

A aplicação destes resultados a outro componente depende, em primeiro lugar, da geometria. Um anel fino pode uniformizar rapidamente a temperatura, enquanto o cubo espesso de uma engrenagem pode manter um núcleo quente depois de a camada ter atingido a temperatura do banho. Os aços AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 também diferem no teor de elementos de liga e na temperabilidade, pelo que a mesma temperatura do banho não garante as mesmas frações de fases. A profundidade da camada, o teor de carbono superficial, a austenite retida, o estado dos carbonetos, o tamanho de grão da austenite prévia e a uniformidade da cementação afetam tanto a deformação de transformação como a sensibilidade à fissuração.

Os dispositivos de fixação e o carregamento também são importantes. Um componente restringido durante o arrefecimento pode apresentar menor movimento livre, mas adquirir maior tensão residual; um componente apoiado de forma mais livre pode deformar-se mais, ao mesmo tempo que alivia parte dessa tensão. A composição do banho, a circulação, o espaçamento entre peças, o tempo de transferência e a uniformidade da temperatura devem ser verificados. As verificações dimensionais antes e depois do tratamento térmico, os perfis de dureza da camada ao núcleo, o exame metalográfico e as medições de tensão residual, quando necessárias, são mais informativos do que presumir que um processo com uma determinada designação garante um resultado.

Banhos, transferência de calor e controlo do processo

A seleção do banho não define, por si só, o processo. A austêmpera e a martêmpera podem utilizar tanto sal como óleo, mas os seus percursos de temperatura e objetivos de transformação são diferentes. Na austêmpera, o aço austenitizado é transferido para um banho mantido a uma temperatura de transformação bainítica — aproximadamente entre 200 e 400 °C, segundo a descrição do AISI 52100 por G. A. H. D. et al. (2013) — e aí permanece até se formar bainite. Na martêmpera, o aço é transferido para um banho ligeiramente acima da temperatura de início da martensite, a temperatura é uniformizada ao longo da secção e, em seguida, o aço é arrefecido ao ar, para que a martensite se forme de modo mais uniforme. É necessário efetuar posteriormente o revenido.

O ASM Handbook Volume 4A (2013) fornece um quadro de controlo útil para a martêmpera: temperatura de austenitização, temperatura do banho, tempo de permanência, agitação e velocidade de arrefecimento. Estas variáveis também mostram por que razão um processo em banho pode produzir resultados diferentes quando são utilizados ciclos de forno aparentemente semelhantes. O tipo de aço, a espessura da secção, a temperabilidade, a massa da carga, o atraso na transferência e o estado do banho determinam se o percurso térmico prescrito é efetivamente alcançado.

Óleo, sais de nitrato-nitrito e misturas de sais fundidos

O óleo é conhecido e prático, mas o seu comportamento na transferência de calor muda durante a têmpera. Quando o aço quente entra no óleo, pode formar-se um manto de vapor na superfície. Esta fase de película transfere o calor de forma relativamente lenta e desigual; quando a película colapsa, a ebulição nucleada pode remover o calor muito mais rapidamente, seguindo-se um arrefecimento convectivo mais lento. A agitação desfaz o manto de vapor e desloca o óleo mais frio em direção à peça. A temperatura e a viscosidade do óleo, a oxidação, a contaminação por água, as lamas e a relação entre a massa da carga e o volume do banho alteram toda essa sequência.

Assim, dois tanques que contenham o mesmo óleo nominal podem produzir curvas de arrefecimento diferentes. Um óleo envelhecido pode apresentar maior viscosidade ou um comportamento de molhagem alterado. A contaminação por água pode provocar ebulição localizada e, em casos graves, um incêndio ou um perigo de projeção associado ao vapor. Um cesto demasiado cheio impede a circulação junto das superfícies, enquanto uma carga quente de grande massa aumenta a temperatura do óleo e abranda a parte seguinte da têmpera. A variável relevante não é simplesmente “têmpera em óleo”, mas a resposta de arrefecimento medida sob as condições reais de carga e agitação.

Os banhos de sais de nitrato-nitrito transferem geralmente o calor rapidamente, porque o líquido molha diretamente o aço e não depende, da mesma forma que uma têmpera em óleo, de um manto de vapor persistente. A convecção no sal fundido pode manter o banho relativamente uniforme, e a superfície do aço pode aproximar-se rapidamente da temperatura do banho. Essa transferência rápida é valiosa quando uma peça martemperada tem de atravessar a região da perlite ou da bainite sem diferenças excessivas de temperatura entre a superfície e o núcleo. Também ajuda as peças submetidas a austêmpera a atingir a temperatura bainítica selecionada antes que a transformação avance de forma desigual.

O sal não dispensa a manutenção. A composição do sal, a oxidação, a humidade, o arrastamento de sal, as lamas e a contaminação afetam o comportamento de fusão, a viscosidade, a condutividade elétrica e a transferência de calor. As misturas de nitrato-nitrito exigem igualmente o controlo da temperatura de funcionamento e do estado químico, uma vez que a decomposição e a contaminação podem alterar o banho e criar perigos de segurança. As peças devem estar secas antes da imersão; a água introduzida no sal fundido pode vaporizar violentamente.

O estudo publicado na ACS Omega por Sun et al. (2024) analisou misturas de sais fundidos de Ca(NO3)2–KNO3 e considerou a medição da transferência de calor uma questão central. O seu valor para a engenharia de processos não reside na declaração de uma única proporção de nitrato de cálcio/nitrato de potássio como receita universal de austêmpera. Diferentes composições de sal apresentam diferentes temperaturas liquidus, propriedades térmicas, viscosidades e intervalos de utilização. As medições do estudo ajudam a relacionar a composição e a temperatura do banho com o comportamento da transferência de calor, mas um ciclo de produção continua a exigir uma curva de arrefecimento validada, dados de transformação específicos do aço e o controlo do banho real.

Efeitos da temperatura do banho, da agitação e da carga

A temperatura do banho é uma variável de transformação, não apenas uma definição do forno. Na austêmpera, o banho deve permanecer dentro do intervalo em que o aço selecionado possa transformar-se em bainite a uma velocidade aceitável. A permanência prossegue até ocorrer a reação necessária de austenite para bainite, conforme estabelecido pelos dados de transformação tempo-temperatura ou por verificação metalográfica. Na martêmpera, o banho é normalmente mantido ligeiramente acima do início da martensite, frequentemente indicado por $M_s$, durante tempo suficiente para que a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo diminua até um nível aceitável. Uma permanência demasiado longa ou a uma temperatura demasiado baixa pode permitir a formação de bainite, contrariando o ciclo martensítico pretendido.

A agitação deve ser especificada quanto ao método e à intensidade, em vez de ser descrita vagamente como “boa circulação”. O caudal da bomba, a posição do impulsor, o movimento da peça e o desenho do cesto determinam se todas as superfícies ficam sujeitas a um movimento comparável do fluido. Um movimento excessivo pode danificar peças delicadas ou arrastar ar; um movimento insuficiente deixa regiões estagnadas e aumenta as diferenças locais de arrefecimento. Os banhos de sal necessitam normalmente de circulação para remover o calor da carga e restabelecer a uniformidade da temperatura, embora o contacto direto proporcione uma transferência mais rápida do que no óleo.

Os efeitos da carga são frequentemente subestimados. Um único provete pequeno pode experimentar uma temperatura do banho quase constante, ao passo que um cesto de produção pode baixar a temperatura do banho à entrada e criar um período de recuperação. As peças exteriores de uma carga compacta podem arrefecer de forma diferente das peças interiores, porque o espaçamento restringe o acesso do fluido. As peças devem estar suficientemente separadas para permitir o contacto com o banho e a circulação, e os dispositivos de fixação devem ser concebidos para evitar o encaixe entre peças, marcas de contacto e retenção de sal. A configuração da carga utilizada durante a qualificação deve corresponder à configuração utilizada na produção.

A medição da temperatura também introduz variação. Um termopar do forno mede a atmosfera do forno ou um dispositivo de fixação próximo, não necessariamente o núcleo do aço. Um controlador do banho pode efetuar a leitura num ponto próximo de um aquecedor, enquanto a região mais fria se encontra noutro local. Sensores independentes devem caracterizar a zona de trabalho, e termopares fixados a peças representativas podem estabelecer o atraso térmico real. Em secções espessas, um termopar de superfície pode indicar a entrada no banho enquanto o centro permanece substancialmente mais quente. Essa diferença é precisamente o que a martêmpera pretende reduzir antes da formação da martensite.

Severidade da têmpera e tempo de transferência

A severidade da têmpera descreve a rapidez com que o calor é removido do aço, mas a medida útil é a curva de arrefecimento completa ao longo do intervalo de transformação crítica. A agitação do óleo, a circulação do sal, a temperatura do banho, a geometria da peça e a temperabilidade do aço contribuem para esse resultado. Um aço de elevada temperabilidade pode formar martensite ao longo de uma grande secção em condições que deixariam um aço de menor temperabilidade parcialmente bainítico ou perlítico. Os cantos das secções arrefecem rapidamente; os centros de grande espessura arrefecem lentamente. O mesmo banho não pode garantir a mesma estrutura numa cavilha fina e numa engrenagem espessa.

O atraso na transferência começa quando a peça sai do forno de austenitização e termina quando as superfícies de trabalho ficam imersas. Durante esse intervalo, a superfície pode arrefecer ao ar enquanto o núcleo permanece próximo da temperatura de austenitização. O atraso também permite uma transformação indesejada em tipos de aço suscetíveis e faz com que a primeira peça de um lote seja termicamente diferente da última. Percursos de transferência curtos e repetíveis, dispositivos de transferência cobertos e operações de movimentação sincronizadas reduzem esta fonte de variação.

A recuperação do banho ocorre após a imersão. A carga introduzida remove calor do banho, e podem desenvolver-se zonas frias locais em torno de um cesto demasiado cheio. O controlador pode indicar o valor de referência enquanto a zona de trabalho ainda está em recuperação. Um limite de recuperação definido — baseado na temperatura do banho medida no local da carga — deve determinar quando entra a carga seguinte. Sem esse limite, lotes consecutivos podem receber velocidades de arrefecimento diferentes, apesar de terem receitas nominais idênticas.

O trabalho de 1946 sobre o intervalo de temperaturas de formação da martensite explica o objetivo da martêmpera: temperar até uma temperatura ligeiramente acima do intervalo de formação da martensite, permitir a uniformização das temperaturas e, em seguida, arrefecer mais lentamente. Isto reduz as tensões térmicas e de transformação, diminuindo o risco de fissuração e distorção, com pouca perda de dureza quando o aço e a secção são adequados. A austêmpera segue um requisito diferente: o banho deve permanecer estável durante toda a permanência bainítica. Um estudo de 2020 sobre austêmpera de curta duração e baixa temperatura relatou nano-bainite, martensite e austenite retida, com coeficientes de desgaste até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado, mas esse resultado não se aplica automaticamente a outro tipo de aço ou ciclo.[4][4] Heat Treatment of Steel Raw Materials. SAE International. SAE AMS-H-6875C, 2020.

A SAE AMS-H-6875C (2020) abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando especificadas. A conformidade depende, portanto, do tipo de aço, do ciclo, do equipamento e da verificação especificados — não apenas do nome do banho. São necessários registos de temperatura, registos do tempo de transferência, configuração da carga, levantamentos do banho, dureza, inspeção dimensional e metalografia para demonstrar que ocorreu efetivamente a transformação pretendida.

Martêmpera Modificada e o Seu Limite com a Austêmpera

Martêmpera convencional versus martêmpera modificada

A martêmpera e a austêmpera interrompem ambas a descida direta da temperatura de austenitização até à temperatura ambiente, mas fazem-no por razões metalúrgicas diferentes. A austêmpera destina-se a produzir bainite. A martêmpera destina-se a reduzir as diferenças de temperatura antes da formação de martensite, limitando assim a distorção e a fissuração de têmpera.

Na martêmpera convencional, o aço austenitizado é temperado em óleo ou em sal fundido mantido imediatamente acima da temperatura de início da martensite no aço, ou Ms. A peça permanece nesse banho apenas o tempo suficiente para que a superfície e o núcleo se aproximem de uma temperatura semelhante. É depois arrefecida através do intervalo de transformação martensítica, normalmente por arrefecimento ao ar. Como a martensite se forma durante esta etapa final de arrefecimento, o processo deve ser seguido de revenido antes da entrada em serviço. O Heat Treating Subject Guide (2020) da ASM International descreve esta sequência como uma manutenção imediatamente acima de Ms, equalização da temperatura, arrefecimento ao ar para formar martensite e revenido subsequente.

A temperatura não é selecionada a partir de uma tabela universal. A Ms varia com o teor de carbono, os elementos de liga, o tamanho de grão da austenite anterior e o estado da austenite. Uma superfície cementada, por exemplo, pode apresentar uma Ms substancialmente inferior à do núcleo, com menor teor de carbono. A espessura da secção também é importante, porque o calor abandona a superfície mais rapidamente do que o centro. O banho deve, por conseguinte, ser selecionado com base nos dados de transformação do aço e do componente específicos, e não apenas numa designação nominal do tipo de aço.

O Volume 4A do ASM Handbook (2013) identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo na martêmpera. Essas variáveis determinam se o componente equaliza a temperatura de forma segura, começa a formar bainite, se transforma parcialmente em martensite no banho ou desenvolve tensões térmicas e de transformação excessivas. Uma manutenção curta e bem controlada é essencial para o processo convencional.

A martêmpera modificada altera o local da interrupção. Na descrição da martêmpera modificada da SAE, o banho de têmpera está abaixo de Ms, enquanto a martêmpera convencional utiliza um banho acima de Ms. Esta diferença não é um pequeno ajuste a uma operação que, de resto, seja idêntica. Ela altera o momento em que a martensite começa a formar-se e modifica o percurso térmico e de transformação a que a peça é submetida.

Um banho abaixo de Ms pode fazer com que a martensite comece a formar-se enquanto o aço ainda está imerso. A peça não está simplesmente a ser arrefecida até uma temperatura de equalização mais baixa antes de uma transformação posterior. Uma parte da austenite pode transformar-se durante a manutenção no banho, e o restante pode transformar-se durante o arrefecimento subsequente. As frações resultantes dependem da temperabilidade do aço, da temperatura real do banho, do tempo de permanência no banho e da distribuição da temperatura ao longo da secção.

A SAE AMS-H-6875C (2020), Heat Treatment of Steel Raw Materials, abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera em ausbay e a martêmpera quando especificadas. Essa autorização não torna os processos permutáveis. Uma especificação de processo, um desenho ou um requisito do comprador deve ainda identificar o ciclo pretendido e os critérios de inspeção. A indicação isolada de «martempered» pode ser insuficiente quando se pretende martêmpera modificada.

Porque é que um banho abaixo de Ms altera o percurso de transformação

Ms assinala o início aproximado de uma transformação sem difusão de austenite em martensite durante o arrefecimento. Isso não significa que toda a austenite se transforme instantaneamente em martensite a uma única temperatura fixa. A transformação progride ao longo de um intervalo de temperaturas, e a quantidade formada depende principalmente do grau de arrefecimento do aço abaixo de Ms. O tempo de manutenção também pode ser importante de forma indireta: permite que o componente equalize termicamente enquanto a transformação prossegue de acordo com a temperatura local.

Colocar o banho abaixo de Ms permite, portanto, que a peça entre no intervalo martensítico antes de a sua temperatura ter equalizado completamente. Isto pode reduzir a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo numa fase posterior, mas fá-lo enquanto se desenvolve a deformação de transformação. A martêmpera convencional retarda a maior parte da formação de martensite até depois da equalização; a martêmpera modificada aceita um início mais precoce para obter um equilíbrio diferente entre gradientes térmicos, tensões de transformação e austenite retida.

O limite com a austêmpera é definido pela transformação de fase pretendida durante a manutenção. A austêmpera arrefece o aço austenitizado até um intervalo de temperaturas onde se pode formar bainite e mantém-no nesse intervalo até que a quantidade necessária de austenite se tenha transformado. Um estudo de 2013 sobre o AISI 52100 descreve a austêmpera como o arrefecimento até um meio mantido aproximadamente entre 200 e 400 °C, seguido de uma manutenção até à formação de bainite. Um estudo publicado em 2024 na ACS Omega distingue igualmente a austêmpera, que mantém o aço a uma temperatura de transformação bainítica, da martêmpera, que mantém brevemente o aço imediatamente acima de Ms antes do arrefecimento ao ar para formar martensite.

Os intervalos de temperatura podem sobrepor-se em alguns aços, pelo que a temperatura do banho, por si só, não pode estabelecer o nome do processo. Um banho a 300 °C pode produzir bainite numa determinada qualidade de aço, martensite noutra ou uma estrutura mista se a manutenção for demasiado curta ou se as curvas de transformação se sobrepuserem. Os dados relevantes provêm do comportamento do aço em termos de transformação isotérmica ou de transformação em arrefecimento contínuo, bem como da verificação metalográfica.

Um estudo de 2020 sobre austêmpera de curta duração e baixa temperatura num aço de médio carbono e baixa liga referiu a presença de nanobainite, martensite e austenite retida. Os seus coeficientes de desgaste foram até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado, mas esse resultado corresponde à composição, à geometria e ao ciclo testados. Não pode ser transferido automaticamente para um componente martemperado.

A austêmpera pode reduzir a distorção porque a bainite se forma a uma temperatura relativamente constante, em vez de se formar durante um gradiente de temperatura não controlado. Num estudo da SAE publicado em 2013 sobre AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 cementados, foram observadas distorções significativamente menores em provetes cementados e austemperados do que em provetes cementados, temperados e revenidos; as temperaturas de austêmpera indicadas foram 260, 288 e 304 °C. Isto constitui evidência para um grupo específico de aços cementados, não uma prova de que todas as peças austemperadas sofrerão menos distorção.

Evitar a formação acidental de bainite

A martêmpera modificada é selecionada, em parte, para manter a peça fora da região de formação de bainite durante a interrupção. O banho deve estar abaixo de Ms, mas também deve ser posicionado de modo que a manutenção não proporcione tempo suficiente para o desenvolvimento de bainite. Se o banho se situar num intervalo de temperaturas em que o aço apresente uma cinética bainítica significativa, ou se a transferência e a manutenção forem lentas, a estrutura poderá conter bainite, mesmo que a operação tenha sido designada como martêmpera.

É por isso que «modificada» não significa simplesmente «utilizar um banho mais frio». O ciclo deve especificar as condições de austenitização, o tempo de transferência, a temperatura do banho, a agitação, o tempo de manutenção admissível, o método de arrefecimento e o tratamento de revenido. A temperatura do banho deve ser medida no local da peça, e não presumida a partir da regulação do forno ou do recipiente de sal. A dimensão da carga e a circulação do sal podem criar variações locais suficientemente grandes para alterar o percurso de transformação.

O operador também precisa de conhecer a temperabilidade do aço e os limites relativos à dimensão da secção. Um aço de baixa temperabilidade pode formar perlite ou bainite no núcleo antes de a peça atingir o percurso martensítico pretendido. Um aço de elevada temperabilidade pode reter uma quantidade substancial de austenite após o arrefecimento, sobretudo quando o enriquecimento em carbono ou a cementação reduziu a Ms. O revenido reduz então a fragilidade da martensite e alivia as tensões de transformação, mas não elimina a bainite que se tenha formado durante uma manutenção inadequada.

A verificação deve combinar a análise da dureza em vários pontos com a metalografia, a inspeção dimensional e, quando necessário, a medição da austenite retida. Um único valor de dureza superficial não permite distinguir, em todos os componentes, uma estrutura totalmente martensítica de uma estrutura mista de martensite e bainite. O limite prático é, por conseguinte, estabelecido pelo ciclo térmico especificado e pelas fases efetivamente produzidas — e não pela designação do banho.

Classes de aço, temperabilidade e dimensão da secção

A classe do aço determina se um ciclo de austêmpera ou de martêmpera proposto pode produzir a estrutura pretendida em toda a peça. O teor de carbono controla a quantidade de martensite que se pode formar, enquanto o crómio, o manganês, o níquel, o molibdénio e outros elementos de liga deslocam as curvas de transformação e aumentam a temperabilidade. A dimensão da secção determina então em que medida o centro da peça acompanha a temperatura do banho. Um ciclo que funciona numa pequena amostra de ensaio pode permitir a formação de perlita, ferrite ou bainite superior no centro de um componente maior antes de a transformação necessária estar concluída.

A distinção entre os dois tratamentos continua a ser essencial. A austêmpera mantém o aço austenitizado numa gama de transformação bainítica até que a fracção especificada de austenite se transforme em bainite. A martêmpera interrompe o arrefecimento imediatamente acima da temperatura de início da transformação martensítica, permite que a secção atinja o equilíbrio térmico e, em seguida, arrefece-a através da formação de martensite. O produto martensítico deve posteriormente ser revenido antes de entrar em serviço. A temperatura do banho, por si só, não identifica o processo; são o percurso de transformação e as fases resultantes que o fazem.

Considerações sobre AISI 52100 e aços para rolamentos

O AISI 52100 é um aço para rolamentos de elevado teor de carbono e crómio, normalmente especificado como UNS G52986. A sua composição nominal é aproximadamente 1,00 % em massa de carbono e 1,5 % de crómio, embora a especificação do material aplicável determine a gama permitida e os requisitos de limpeza. Esta composição confere ao 52100 uma elevada dureza alcançável e uma forte resistência ao desgaste após o endurecimento, mas também torna particularmente importantes a austenite retida, a dissolução dos carbonetos, as tensões de têmpera e as alterações dimensionais.

Um estudo sobre o AISI 52100 descreve a austêmpera como um arrefecimento brusco a partir da temperatura de austenitização para um meio mantido aproximadamente entre 200 e 400 °C, seguido de uma manutenção até à formação de bainite. Esta gama constitui uma definição da prática de austêmpera investigada, não uma janela universal de temperaturas para todas as secções de rolamentos ou para todas as morfologias de bainite pretendidas. Na parte inferior da gama, a transformação é mais lenta e o produto pode ser mais fino; a temperaturas mais elevadas, a transformação pode avançar mais rapidamente, mas produzir bainite mais grosseira. A temperatura seleccionada deve também ter em conta o comportamento de transformação tempo-temperatura do aço, a dimensão do grão de austenite prévia, o estado dos carbonetos e a espessura da secção.

As aplicações em rolamentos impõem requisitos que vão além da dureza nominal. A fadiga por contacto de rolamento é afectada por inclusões não metálicas, pela distribuição dos carbonetos, pela austenite retida, pelas tensões residuais, pelo acabamento superficial e pelas diferenças locais de transformação. Uma superfície que atinge a estrutura bainítica pretendida enquanto o núcleo contém perlita não constitui um componente de rolamento austemperado bem-sucedido. Do mesmo modo, uma peça de 52100 submetida a martêmpera pode apresentar uma distorção reduzida em comparação com uma têmpera directa em óleo, mas contém ainda martensite não revenida imediatamente após o arrefecimento e requer revenido. O revenido reduz também a fragilidade e estabiliza as dimensões, embora a temperatura escolhida deva preservar a dureza necessária e o desempenho em fadiga de contacto.

Um anel pequeno de 52100 pode atingir rapidamente o equilíbrio térmico num banho de sais, permitindo que toda a secção transversal entre no campo bainítico antes de ocorrer uma transformação significativa. Um anel, rolete ou pista de rolamento maior pode apresentar uma resposta muito mais lenta no centro. A superfície pode começar a transformar-se enquanto o núcleo ainda arrefece através de um intervalo de temperaturas diferente. Por conseguinte, o tempo de manutenção não pode ser seleccionado apenas com base no diâmetro; deve estar associado à localização relevante mais lenta e ser verificado através da dureza, da metalografia, da medição dimensional e, quando necessário, da análise da austenite retida.

AISI 8620, 8822 e 4320 cementados

Os aços de baixa liga cementados apresentam um problema de duas zonas. A cementação aumenta o teor de carbono à superfície, mantendo o núcleo num nível de carbono inferior. A camada cementada possui, portanto, maior temperabilidade e um potencial de formação de martensite superior ao do núcleo, mas ambas as regiões devem seguir um ciclo térmico compatível. Os gradientes de carbono também alteram a temperatura de início da transformação martensítica: a camada de elevado teor de carbono começa geralmente a transformação martensítica a uma temperatura inferior à do núcleo, com menor teor de carbono. A transformação não ocorre simultaneamente em toda a secção.

A investigação realizada sobre AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 cementados utilizou temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C. Nas experiências realizadas, as amostras cementadas e austemperadas apresentaram uma distorção significativamente menor do que as amostras cementadas, temperadas e revenidas. Este resultado sustenta um mecanismo, e não uma afirmação universal. A austêmpera substitui o choque térmico e de transformação intenso e desigual de uma têmpera directa por uma transformação isotérmica controlada, reduzindo a diferença de expansão e contracção entre a camada cementada e o núcleo. Não elimina a distorção, e o resultado referido não pode ser transferido automaticamente para outra geometria de engrenagem, profundidade de camada, potencial de cementação ou lote de aço.

O AISI 8620, designado UNS G86200, contém níquel, crómio e molibdénio em quantidades que favorecem a temperabilidade do núcleo após a cementação. O AISI 8822, designado UNS G88220, possui uma composição de liga com maior teor de níquel do que o 8620 e é seleccionado para um equilíbrio diferente entre a resposta da camada cementada e a do núcleo. O AISI 4320, designado UNS G43200, é também um aço de cementação ligado ao níquel, crómio e molibdénio. A composição química exacta deve ser obtida na especificação aplicável, uma vez que pequenas diferenças nos teores de carbono, manganês, níquel, crómio e molibdénio podem deslocar os tempos de início e de fim da transformação.

A relação entre a camada cementada e o núcleo é decisiva. Se o núcleo não possuir temperabilidade suficiente, pode formar perlita ou ferrite durante a transferência ou a manutenção, mesmo enquanto a camada cementada desenvolve bainite ou, posteriormente, martensite. Se a manutenção de austêmpera for suficientemente longa para o núcleo, mas excessiva para o estado seleccionado da camada cementada, esta pode desenvolver uma morfologia indesejada ou uma quantidade excessiva de austenite retida. Na martêmpera, o banho deve permanecer acima da gama relevante de início da transformação martensítica durante a equalização; após o arrefecimento ao ar, a camada cementada e o núcleo transformam-se em intervalos de temperatura diferentes e ambos devem ser revenidos.

Espessura, gradientes de carbono e resposta da liga

O arrefecimento não corresponde a uma única curva numa peça real. Um dente fino, um pino pequeno ou um anel de rolamento estreito podem aproximar-se rapidamente da temperatura do banho, enquanto o centro de uma peça bruta espessa de engrenagem ou de um veio permanece substancialmente mais quente. A agitação, a disposição da carga, a circulação do banho, o estado da superfície e o contacto com os dispositivos de fixação também alteram a velocidade de transferência de calor. O ASM Handbook Volume 4A identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo da martêmpera. Estas variáveis aplicam-se ao controlo do processo, e não apenas à repetibilidade laboratorial.

EndurecibilidadeEndurecibilidade A capacidade de um aço para desenvolver e conservar uma estrutura martensítica até uma determinada profundidade sob uma condição de arrefecimento especificada; não é o mesmo que dureza.

A temperabilidade determina se o núcleo consegue evitar produtos de transformação indesejados durante o arrefecimento. É diferente da dureza. A dureza descreve a resistência medida numa determinada localização; a temperabilidade descreve a profundidade ou a extensão da secção na qual um aço pode desenvolver uma estrutura martensítica sob uma determinada condição de arrefecimento. Elementos de liga como o manganês, o crómio, o níquel e o molibdénio retardam geralmente as reacções de perlita e bainite, dando ao centro mais tempo para atingir o campo de transformação pretendido. Não garantem resultados uniformes, porque a dimensão do grão de austenite, o processamento anterior e os gradientes de carbono também afectam a cinética.

Na austêmpera, a região mais lenta deve atingir a gama bainítica sem atravessar primeiro o nariz de perlita na sua curva de arrefecimento. O banho deve então extrair calor com rapidez suficiente para suprimir transformações indesejadas, mas de forma suficientemente controlada para evitar grandes diferenças de temperatura no interior da peça. Na martêmpera, toda a secção deve aproximar-se de uma temperatura imediatamente superior à de início da transformação martensítica antes de a peça ser arrefecida através da gama martensítica. Uma secção espessa que não tenha atingido o equilíbrio pode transformar-se à superfície enquanto o núcleo ainda se contrai termicamente, aumentando as tensões internas e a distorção.

As normas não substituem esta análise. A SAE AMS-H-6875C, Heat Treatment of Steel Raw Materials, abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando especificadas. A especificação, o desenho, a classe do aço, a dimensão da secção e o procedimento aprovado devem, portanto, ser analisados em conjunto. A verificação deve incluir a medição da profundidade da camada cementada nas peças cementadas, a dureza do núcleo e da superfície, o exame microestrutural em vários locais, a inspecção dimensional e, quando a aplicação o justificar, a verificação da austenite retida ou de fissuras de têmpera. A identificação do banho não pode demonstrar que o centro seguiu o ciclo de transformação exigido.

Quadro de especificações: AMS-H-6875C e documentação do processo

A SAE AMS-H-6875C, Tratamento térmico de matérias-primas de aço, estabelece requisitos de tratamento térmico para quatro classes de aço. A sua importância é processual: o documento permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando a especificação aplicável do material ou da peça exige um desses ciclos. Essa permissão não aprova todas as temperaturas de banho de sais, todos os atrasos de transferência, tempos de manutenção ou práticas de arrefecimento. O comprador, a entidade responsável pelo projeto ou a especificação de material aplicável continua a ter de identificar o ciclo exigido e os critérios de aceitação.

A distinção é importante porque estes processos não produzem os mesmos produtos de transformação. Na austêmpera, o aço austenitizado é rapidamente levado para um intervalo de temperaturas no qual se pode formar bainite, sendo depois mantido nesse intervalo até que a transformação necessária de austenite em bainite esteja substancialmente concluída. Um estudo de 2013 sobre AISI 52100 descreveu o meio de austêmpera como sendo mantido aproximadamente entre 200 e 400 °C até à formação de bainite. O intervalo exato depende da composição química do aço, da dimensão da secção, da temperabilidade e da morfologia de bainite pretendida.

A martêmpera tem um objetivo diferente. A peça é temperada em óleo ou sal fundido mantido ligeiramente acima da temperatura de início da formação de martensite, normalmente indicada por $M_s$, e permanece nesse meio apenas o tempo suficiente para que a temperatura se uniformize ao longo da secção. Em seguida, é arrefecida através do intervalo martensítico, frequentemente ao ar. A martensite forma-se durante esse arrefecimento subsequente, e não durante o período de uniformização. É necessário revenir a peça antes da sua utilização, porque a martensite no estado temperado contém tensões residuais elevadas e pode ser excessivamente frágil. O ASM Handbook Volume 4A da ASM International, de 2013, identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo da martêmpera.

A têmpera ausbay é igualmente uma via de têmpera interrompida especificada, mas a sua utilização permitida não deve ser tratada como sinónimo de austêmpera. O nome descreve o percurso de têmpera e a disposição do banho; as fases resultantes dependem da cinética de transformação do aço e do historial efetivo de temperatura-tempo. Por conseguinte, um documento de processo tem de indicar se a estrutura pretendida é bainite, martensite após a uniformização térmica ou outro resultado permitido pela especificação aplicável.

O que a AMS-H-6875C abrange

A AMS-H-6875C fornece um quadro geral para o tratamento térmico de matérias-primas de aço, e não uma receita universal para todos os tipos de aço e geometrias. Aborda requisitos associados a operações como aquecimento, austenitização, têmpera, arrefecimento, revenido e inspeção. O documento abrange quatro classes de aço e permite três ciclos alternativos — austêmpera, têmpera ausbay e martêmpera — quando estes são especificados pelo requisito de engenharia ou de material aplicável.

Esta formulação é importante. Uma norma pode reconhecer um processo sem o tornar aceitável para uma determinada peça. Por exemplo, um aço de baixa liga para cementação pode ter temperabilidade suficiente para formar um núcleo bainítico numa determinada espessura de secção, enquanto uma secção maior de outro aço pode não se transformar completamente durante o mesmo período de manutenção no banho. Provetes cementados de AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 apresentaram uma distorção significativamente menor após austêmpera do que após cementação, têmpera e revenido convencionais no estudo SAE 2013-01-0949. As experiências utilizaram temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C. Esses resultados sustentam uma escolha de processo para as condições testadas; não estabelecem essas temperaturas para todos os componentes.

Por conseguinte, uma especificação que invoque a AMS-H-6875C deve identificar a designação e o estado do material, a via de tratamento térmico permitida e quaisquer requisitos suplementares. A composição química do tipo de aço controla o início e o fim da transformação bainítica, a temperatura $M_s$, a temperabilidade, a resposta da austenite retida e a resposta ao revenido. A espessura e a forma da secção controlam o gradiente de temperatura e o tempo necessário para que o núcleo acompanhe a superfície na entrada no banho.

Quando são permitidas a austêmpera, a têmpera ausbay ou a martêmpera

A austêmpera só é permitida quando a especificação aplicável a seleciona expressamente ou a aceita como via alternativa. O período de manutenção tem de ser suficientemente longo para a transformação bainítica exigida, conforme estabelecido por qualificação ou por um procedimento validado de temperatura-tempo. Interromper o processo demasiado cedo pode deixar martensite e austenite retida misturadas com bainite. Um estudo de 2020 sobre austêmpera de curta duração e baixa temperatura em aço de médio teor de carbono e baixa liga registou a presença conjunta de nanobainite, martensite e austenite retida; nas condições de ensaio do estudo, os coeficientes de desgaste foram até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado. A estrutura mista demonstra por que razão a simples indicação “austemperado” não constitui uma declaração de aceitação suficiente.

A martêmpera é permitida quando o requisito aplicável exige uma têmpera interrompida para reduzir as tensões térmicas e de transformação. O banho tem de permanecer acima de $M_s$ durante a fase de uniformização, e o período de manutenção não deve prolongar-se até ao intervalo de transformação bainítica não pretendido, salvo se essa estrutura for permitida. O trabalho de 1946 sobre o intervalo de temperaturas de formação da martensite descreveu o objetivo básico: arrefecer até imediatamente acima do intervalo de formação de martensite, uniformizar a temperatura e, em seguida, arrefecer mais lentamente através desse intervalo. A formação de fissuras e a distorção podem ser reduzidas, mas a dureza continua a depender da transformação martensítica completa, da temperabilidade do aço e do revenido subsequente.

A têmpera ausbay deve igualmente estar associada a uma especificação indicada e a condições controladas do banho. O nome do processo, por si só, não define a constituição das fases. Um banho abaixo de $M_s$, por exemplo, pode iniciar a formação de martensite durante a imersão, enquanto um banho acima de $M_s$ permite o princípio de uniformização associado à martêmpera convencional. A especificação tem de resolver essa diferença.

O que uma especificação de processo deve definir

Uma especificação de processo utilizável começa pelo tipo exato de aço e pela designação da norma, incluindo a forma do produto, o estado anterior e a condição cementada ou descarbonetada, quando relevante. Em seguida, identifica a via selecionada: austêmpera, têmpera ausbay, martêmpera ou têmpera e revenido convencionais.

A instrução de austenitização deve indicar o tipo de forno ou a atmosfera, quando controlada, a temperatura nominal, o intervalo admissível, o método de aquecimento e o tempo de permanência ou de uniformização. “Aquecer para austenitizar” é insuficiente para o controlo da produção. O documento deve indicar se o tempo é medido após a recuperação da temperatura do forno, após a uniformização da carga ou a partir da introdução da carga no forno.

Os requisitos do banho necessitam de igual precisão. Devem identificar o meio — óleo, sal de nitrato/nitrito, polímero de base aquosa ou outro meio aprovado —, bem como a temperatura de funcionamento, a variação admissível, o volume do banho ou a relação de carga, quando relevantes, a direção e intensidade da agitação e a frequência de monitorização. Um estudo de 2024 publicado na ACS Omega, que utilizou misturas de sais fundidos de Ca(NO₃)₂–KNO₃, salientou os diferentes percursos de transformação produzidos por uma manutenção bainítica e por uma breve manutenção acima de $M_s$. A composição química do sal é, por conseguinte, uma variável do processo, e não apenas um pormenor do recipiente.

O tempo de transferência do forno para o banho deve ter um valor máximo, com os pontos de medição definidos. A especificação deve também indicar a orientação de imersão, a agitação durante a entrada, o tempo de permanência no banho e o critério para terminar esse período. Na austêmpera, este pode ser um tempo qualificado, suficiente para obter a fração de bainite exigida. Na martêmpera, corresponde normalmente ao tempo necessário para a uniformização da temperatura sem permitir uma formação inaceitável de bainite.

O arrefecimento após o período de manutenção deve ser definido: arrefecimento ao ar, ao ar parado, com ar forçado ou por outro método aprovado, incluindo a temperatura à qual a peça sai do banho. Os requisitos de revenido devem indicar o atraso mínimo após a têmpera, a temperatura de revenido, o tempo à temperatura, o número de ciclos, a uniformidade do forno e o método de arrefecimento. O aço martemperado não deve entrar em serviço sem o revenido especificado.

Por fim, a aceitação tem de ser mensurável. O documento deve definir os locais e os limites de dureza, a variação de dureza admissível, a microestrutura exigida e os constituintes proibidos, os limites de austenite retida, quando aplicáveis, o estado superficial e a aceitação dimensional. As medições de distorção necessitam de referências, instrumentos, frequência de amostragem e alteração máxima permitida. Os registos de qualificação devem associar os gráficos do forno, os registos da temperatura do banho, os registos dos tempos de transferência, os resultados de dureza, os exames metalográficos e os relatórios dimensionais ao lote e ao tipo exato de aço. Sem esse registo, um ciclo nominalmente permitido continua a ser um processo não controlado, e não uma prova de conformidade.

Conceção de um Ciclo: Dos Dados de Transformação aos Parâmetros de Produção

Um ciclo adequado começa pelo aço e pela peça, e não por uma temperatura de banho familiar. Registe o tipo de aço, a composição química, o tratamento térmico anterior, a espessura da secção, a geometria, o estado da superfície e as propriedades requeridas. O aço de rolamentos AISI 52100, o AISI 8620 cementado e um aço de baixa liga com teor médio de carbono não apresentam a mesma cinética de transformação, mesmo quando as suas peças cabem no mesmo tanque de sais. O estado inicial também é importante: grãos grosseiros de austenite prévia, carbonetos não dissolvidos, profundidade da camada cementada e segregação podem alterar a temperabilidade, o tempo de transformação e a resposta dimensional.

A fase final pretendida define a orientação do processo. Na austêmpera, o aço deve ser colocado num intervalo de temperaturas em que se forme bainite, mantendo-se depois nessa temperatura até que o volume selecionado de austenite se transforme. A martêmpera, pelo contrário, interrompe o arrefecimento ligeiramente acima da temperatura de início da martensite, uniformiza a temperatura em toda a secção e permite então a formação de martensite durante um arrefecimento controlado. Este último processo requer revenido antes da entrada em serviço. A simples designação do banho não identifica o processo.

Os dados de transformação devem estabelecer a temperatura de início da martensite, o intervalo de formação da martensite, a temperatura de início da bainite e o tempo necessário para evitar a formação de perlite ou ferrite. Os diagramas de transformação em arrefecimento contínuo e de transformação temperatura-tempo fornecem uma primeira estimativa, mas não substituem ensaios realizados no tipo de aço e no estado efetivamente utilizados. O teor de carbono, os elementos de liga, o tamanho dos grãos de austenite e a composição química da camada cementada deslocam as curvas. O responsável pelo processo ajusta depois a janela de transformação ao banho, à carga, ao tempo de transferência e à geometria da peça.

O ASM Handbook Volume 4A (2013) identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo da martêmpera. Estas variáveis interagem entre si. Uma temperatura de banho que funciona para um pequeno provete pode falhar quando entra uma carga pesada, porque a carga extrai calor mais rapidamente do que os aquecedores do banho conseguem repô-lo. O programa deve, por isso, basear-se nas temperaturas medidas da peça e nos limites de recuperação, e não apenas nos valores de referência do forno e do banho.

Seleção da condição de austenitização

Escolha a temperatura de austenitização com base na especificação do aço, na informação sobre o equilíbrio de fases e na microestrutura pretendida. A temperatura deve dissolver carbono e elementos de liga em quantidade suficiente para proporcionar a temperabilidade necessária, mas uma temperatura ou um tempo excessivos podem aumentar o tamanho dos grãos de austenite prévia, elevar a quantidade de austenite retida, promover a oxidação e agravar a distorção. No caso de peças cementadas, o núcleo e a camada devem ser considerados separadamente. A camada pode conter substancialmente mais carbono do que o núcleo, pelo que a sua temperatura de início da martensite e a sua resposta em termos de austenite retida podem diferir significativamente.

O tempo de austenitização deve basear-se no tamanho da secção e no comportamento de aquecimento do forno, iniciando-se o período de manutenção quando o local relevante mais frio — e não a indicação do forno — tiver atingido a temperatura especificada. A temperatura programada do forno corresponde à temperatura do ar ou do sensor de controlo num determinado local. Durante o carregamento, a temperatura do aço fica abaixo desse valor e, durante a recuperação, pode ultrapassá-lo ou permanecer abaixo dele. A radiação, o contacto com os dispositivos de fixação, o espaçamento entre peças e a circulação no forno produzem diferenças adicionais. Um termopar fixado a uma peça representativa mostra normalmente uma subida retardada, seguida de um excesso ou défice transitório de temperatura após a transferência.

O estado inicial determina o tempo necessário. O AISI 52100 esferoidizado, um aço de baixa liga normalizado e o AISI 8620 cementado podem exigir tempos de dissolução diferentes, mesmo à mesma temperatura nominal. Uma manutenção excessiva pode dissolver carbonetos que deveriam permanecer, enquanto uma manutenção insuficiente deixa variações químicas ao longo da secção. A análise metalográfica de amostras austenitizadas pode confirmar a dissolução dos carbonetos e o tamanho dos grãos antes de se fixar um ciclo de produção.

Na martêmpera, a condição de austenitização deve produzir a quantidade de austenite necessária para atingir a dureza especificada após a transformação e o revenido. Na austêmpera, deve também evitar uma composição química e um tamanho de grão da austenite que coloquem a temperatura de início da bainite ou o tempo de incubação fora do intervalo de funcionamento do banho. A seleção é um compromisso, mas deve basear-se em dados de transformação e não num valor genérico de “aquecer até”.

Escolha da temperatura do banho e do tempo de manutenção

Selecione uma temperatura de banho de austêmpera dentro do intervalo de transformação bainítica identificado para o aço. O AISI 52100 foi submetido a austêmpera em estudos que utilizaram meios mantidos aproximadamente entre 200 e 400 °C, com manutenção até à formação de bainite; este intervalo é uma referência ampla, e não uma janela de produção universal. Um estudo de 2024 publicado na ACS Omega descreve igualmente a austêmpera como a manutenção do aço austenitizado a uma temperatura de transformação bainítica até à conversão da austenite em bainite. O tempo de manutenção necessário pode ser obtido a partir de um diagrama de transformação isotérmica e depois verificado por ensaios de dureza e análise metalográfica, uma vez que o tamanho do provete e o estado inicial utilizados no diagrama podem diferir dos da peça.

A temperatura de austêmpera altera o equilíbrio entre a velocidade de transformação, a morfologia da bainite, a dureza e a austenite retida. As temperaturas mais baixas prolongam geralmente os tempos de incubação e de transformação e podem produzir estruturas bainíticas mais finas; as temperaturas mais elevadas encurtam o ciclo, mas podem produzir bainite mais grosseira e uma resposta de dureza diferente. Um estudo de 2020 sobre austêmpera de curta duração e baixa temperatura registou nano-bainite, martensite e austenite retida, com coeficientes de desgaste até 50% inferiores aos do aço martensítico temperado. Esse resultado diz respeito ao aço e ao ciclo estudados; não pode ser aplicado a todos os tipos de aço.

A temperatura do banho de martêmpera é definida ligeiramente acima da temperatura de início da martensite, com margem suficiente para impedir a formação prematura de martensite durante a uniformização da temperatura. A peça permanece no banho apenas até que as temperaturas ao longo da secção se aproximem. É então retirada para arrefecer ao ar através do intervalo martensítico e, posteriormente, submetida a revenido. Uma manutenção demasiado longa a esta temperatura pode permitir a formação de bainite ou outras transformações, dependendo do aço. A martêmpera modificada coloca deliberadamente o banho abaixo da temperatura de início da martensite e constitui um programa diferente; por isso, essa distinção deve constar da especificação escrita do processo.

A capacidade do banho inclui mais do que o volume do tanque. Meça a uniformidade da temperatura, a agitação, a circulação, a recuperação térmica e a relação admissível entre a massa da carga e a massa do banho. Um banho de sais à base de Ca(NO₃)₂–KNO₃, um banho de óleo ou outro meio transfere calor em função da sua viscosidade, condutividade térmica, movimentação e temperatura de funcionamento. Quando entra uma carga grande ou densamente acondicionada, a temperatura do banho pode diminuir e a recuperação pode ser lenta. Se o aço atravessar uma região de início da perlite antes de o banho recuperar a temperatura, perde-se o equilíbrio de fases pretendido. Registe a temperatura mínima do banho após o carregamento e o tempo necessário para regressar à faixa de controlo.

A contagem do tempo de manutenção deve começar quando a peça atingir a temperatura pretendida, e não necessariamente quando o suporte entra no banho. Para secções espessas, isto requer um termopar no núcleo ou uma relação tempo-temperatura validada. As arestas finas podem já estar a transformar-se enquanto o núcleo ainda aquece; por isso, os limites relativos ao tamanho da secção e os tempos de transferência devem constar do procedimento.

Utilização de termopares, provetes e ensaios interrompidos

Coloque termopares nos locais que controlam a transformação: no centro da secção mais espessa, numa aresta fina, numa superfície exposta ao banho e, no caso de peças cementadas, tanto na camada como no núcleo, sempre que seja prático. Utilize fios e métodos de fixação que suportem o forno e o banho e verifique a calibração em todo o intervalo de funcionamento. O registo deve mostrar o aquecimento no forno, a austenitização, a transferência, a entrada no banho, a uniformização da temperatura, a remoção, o arrefecimento ao ar e o revenido. É o registo da peça — e não a temperatura programada do forno — que confirma o ciclo.

Os provetes devem reproduzir o material de produção, o estado inicial, a espessura da secção e a composição química da superfície. Um simples provete fino pode responder demasiado rapidamente e sugerir falsamente que a capacidade do banho é adequada. Um provete escalonado ou uma testemunha com a forma da peça de produção pode revelar o atraso térmico entre a superfície e o núcleo. Durante a qualificação, coloque os provetes nos locais mais frios, mais congestionados e mais representativos da carga.

Os ensaios interrompidos fornecem dados sobre a transformação. Retire amostras após vários tempos de manutenção, arrefeça-as rapidamente ou arrefeça-as por um método definido e examine as secções polidas quanto à presença de bainite, martensite, perlite, carbonetos e austenite retida. Meça a dureza desde a superfície até ao centro e segundo diferentes orientações. O mapeamento de dureza pode revelar um núcleo macio, uma aresta excessivamente transformada ou alterações na profundidade da camada que uma única leitura Rockwell não detetaria.

As medições dimensionais devem acompanhar estes ensaios, mas não os podem substituir. Registe o diâmetro, a planeza, o desvio radial, o comprimento e a distorção antes e depois do tratamento térmico, a temperaturas controladas. Provetes de AISI 8620, 8822 e 4320 cementados, num estudo SAE de 2013, apresentaram uma distorção significativamente menor após austêmpera do que após cementação seguida de têmpera e revenido convencionais, utilizando temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C. O resultado apoia a lógica do processo, mas não constitui uma garantia geral para todas as geometrias.

Por fim, compare a análise metalográfica, o mapeamento de dureza, as medições de austenite retida quando exigidas e os dados dimensionais com a especificação aplicável. A SAE AMS-H-6875C (2020) abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando especificadas. O ciclo aprovado deve indicar o tipo de aço e o estado inicial, o intervalo de austenitização, o limite de transferência, a temperatura do banho e o requisito de recuperação, o critério de uniformização ou de transformação, o método de arrefecimento, o tratamento de revenido e os dados de inspeção. Este nível de definição transforma os dados de transformação num parâmetro de produção repetível.

Modos de Falha e Metalografia de Diagnóstico

Uma peça tratada termicamente que apresente defeitos deve ser diagnosticada a partir do seu percurso de transformação, e não apenas do nome do banho. A austêmpera destina-se a manter o aço austenitizado a uma temperatura de transformação bainítica até à formação de bainite. A martêmpera é diferente: a peça é temperada até uma temperatura imediatamente acima da temperatura de início da martensite, mantém-se nessa temperatura apenas o tempo suficiente para que a secção se aproxime de uma temperatura uniforme e, em seguida, é arrefecida de modo a formar martensite antes do revenido. Uma fase encontrada no local ou em quantidade incorretos geralmente identifica um problema de ciclo, de transferência de calor ou de temperabilidade.

Formação de perlita ou bainite durante uma etapa não prevista

A presença de perlita numa peça austemperada indica geralmente que parte da austenite entrou no intervalo de transformação perlítica antes da permanência bainítica prevista. A causa mais comum é uma velocidade de transferência insuficiente do forno de austenitização para o banho de sais ou de óleo. Uma transferência prolongada através do ar, uma disposição demasiado compacta das peças ou um atraso enquanto a carga é mergulhada no banho podem permitir a transformação à superfície. A temperatura do forno pode estar correta e, ainda assim, a peça falhar, porque a superfície já atravessou a curva de início da formação de perlita.

Um controlo inadequado do banho produz o mesmo resultado. Um banho de sais com circulação deficiente, uma carga excessiva de peças ou um termopar incorretamente calibrado podem originar regiões locais abaixo da temperatura especificada. As primeiras peças introduzidas numa zona fria podem formar perlita antes de atingirem a temperatura de austêmpera prevista. O estudo de 2013 sobre o aço AISI 52100 descreve uma austêmpera entre aproximadamente 200 e 400 °C, mantendo a peça até à formação de bainite; esse intervalo não autoriza a seleção de qualquer temperatura nele contida sem verificar a cinética de transformação do aço. O teor de carbono, os elementos de liga adicionados, o tamanho de grão da austenite e a espessura da secção alteram o tempo disponível antes do início da formação de perlita.

Metalograficamente, a perlita apresenta-se como colónias de ferrite e cementite, frequentemente com um aspeto lamelar a uma ampliação adequada. A perlita grosseira próxima da superfície sugere uma entrada lenta no banho ou um arrefecimento superficial, enquanto uma banda ou região isolada ao longo da secção sugere uma temperatura não uniforme do banho ou o contacto com dispositivos de fixação. O mapeamento da dureza pode revelar a consequência: as zonas perlíticas são substancialmente mais macias do que as regiões totalmente bainíticas ou martensíticas. Examine uma secção transversal desde a superfície até ao centro e compare vários locais em redor do componente, em vez de se basear num único campo metalográfico polido.

A bainite também pode surgir durante um ciclo destinado a produzir martensite. Na martêmpera convencional, o período de permanência acima da temperatura de início da martensite, ou Ms, destina-se à equalização da temperatura; não constitui uma permanência para transformação bainítica. Um tempo de permanência excessivo, uma temperatura do banho situada dentro do intervalo bainítico ou um arrefecimento lento através desse intervalo permitem a formação de bainite antes do desenvolvimento da martensite. A estrutura resultante pode apresentar bainite superior, bainite inferior e martensite em regiões adjacentes. Um estudo de 2024 publicado na ACS Omega explicita a distinção entre os processos: na austêmpera, o aço é mantido a uma temperatura de transformação bainítica até à conversão da austenite, enquanto na martêmpera é mantido brevemente imediatamente acima de Ms antes do arrefecimento ao ar.

Os registos do banho devem ser verificados antes de se atribuir a causa à composição química do aço. O ASM Handbook Volume 4A identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de permanência, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo da martêmpera. Estas mesmas variáveis influenciam o alcance do campo de fases pretendido durante a austêmpera. Um termopar avariado, um tanque sobrecarregado ou uma agitação insuficiente podem explicar a microestrutura de forma mais direta do que uma pequena variação da composição química.

Transformação incompleta e austenite retida

A austenite retida resulta de a austenite não completar a transformação prevista durante o arrefecimento ou a permanência. Numa peça martemperada, a austenite deve transformar-se em grande parte em martensite durante o arrefecimento controlado subsequente, mas a quantidade transformada depende do teor de carbono, da composição de liga, da velocidade de arrefecimento e da temperatura final. As regiões superficiais de elevado teor de carbono, especialmente nos aços cementados, apresentam habitualmente temperaturas Ms e Mf inferiores às do núcleo com baixo teor de carbono. Por conseguinte, podem reter mais austenite após o mesmo ciclo de arrefecimento.

A austêmpera apresenta um modo de falha diferente. Se a permanência terminar antes de a reação bainítica estar completa, permanece a austenite não transformada, que pode transformar-se posteriormente em martensite durante o arrefecimento, o funcionamento ou a retificação. Isto produz uma estrutura mista de bainite–martensite–austenite retida, em vez da estrutura predominantemente bainítica prevista. O estudo de 2020 sobre austêmpera de baixa temperatura e curta duração em aço de médio teor de carbono e baixa liga relatou a presença conjunta de nano-bainite, martensite e austenite retida; a redução do coeficiente de desgaste nele indicada, até 50% relativamente ao aço martensítico temperado, aplica-se ao material e ao ciclo investigados, e não a todas as peças parcialmente transformadas.

A austenite retida não é identificada de forma fiável apenas pela dureza. Pode ser suficientemente macia para baixar o valor medido, mas a transformação induzida por deformação durante a indentação pode elevar o valor aparente. Utilize a metalografia ótica após ataque com nital como primeira avaliação e, quando necessário, confirme quantidades significativas através de difração de raios X, métodos magnéticos ou análise quantitativa de imagem. Procure alterações dimensionais, fissuração retardada ou crescimento durante o funcionamento, uma vez que a austenite retida pode transformar-se em martensite fresca, não revenida.

Nos componentes cementados, examine separadamente a camada cementada e o núcleo. O perfil de dureza entre a camada e o núcleo deve ser representado graficamente em relação às fases observadas. Uma camada dura com austenite retida e um núcleo mais macio, bainítico ou perlítico, indica respostas de transformação locais diferentes, não necessariamente um tratamento térmico defeituoso do aço. Por outro lado, uma dureza uniformemente baixa, com ausência de martensite em ambas as regiões, aponta para uma austenitização inadequada, um atraso excessivo na transferência, uma severidade de têmpera insuficiente ou um erro na temperatura do banho.

Fissuras, zonas macias, distorção e microestruturas mistas

As fissuras resultam normalmente dos efeitos combinados da tensão de transformação, da tensão térmica, de uma geometria com arestas vivas, das tensões residuais e de uma dureza excessiva. A martêmpera reduz a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo antes da formação da martensite, o que pode reduzir a fissuração e a distorção relativamente à têmpera direta, mas não elimina a necessidade de revenido. O ASM’s 2020 Heat Treating Subject Guide afirma que o aço martemperado deve ser revenido antes de entrar em serviço. A martensite não revenida, sobretudo numa camada cementada, continua vulnerável à fissuração durante a retificação ou sob carga aplicada.

Inspecione separadamente as superfícies das fissuras e as secções transversais polidas. As fissuras de têmpera seguem frequentemente os limites dos antigos grãos de austenite ou propagam-se para o interior a partir de cantos, rasgos de chaveta e alterações abruptas de secção. As fissuras de retificação são geralmente superficiais e estão alinhadas com a direção de retificação. O ensaio por líquidos penetrantes pode localizar fissuras abertas à superfície, enquanto a metalografia mostra se a fissura contém óxidos, descarbonetação ou martensite fresca nas suas margens.

As zonas macias podem resultar de uma agitação deficiente, da proteção causada pelos dispositivos de fixação, de uma circulação inadequada do banho, de descarbonetação ou de uma temperabilidade insuficiente para a dimensão da secção. A distorção pode refletir um aquecimento desigual, uma cementação assimétrica, um arrefecimento não uniforme ou uma transformação retardada entre regiões finas e espessas. O estudo de 2013 da SAE sobre AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 cementados utilizou temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C e encontrou uma distorção significativamente inferior à dos provetes cementados, temperados e revenidos; esses resultados não eliminam a distorção específica da geometria ou da carga.

As microestruturas mistas exigem um diagnóstico espacial. Compare a periferia, o raio intermédio, o centro, a raiz do dente e a ponta do dente, quando aplicável. Relacione cada micrografia com o perfil de dureza e com o registo de tempo–temperatura. Só depois de terem sido verificados o tempo de transferência, a temperatura do banho, a agitação, a carga, a austenitização e o revenido é que a composição química, a temperabilidade ou a mistura de materiais devem constituir a explicação principal.

Comparação entre Austêmpera, Martêmpera e Têmpera e Revenido Convencionais

Os três processos podem produzir propriedades substancialmente diferentes, mesmo quando têm início no mesmo aço austenitizado. Os seus nomes descrevem ciclos de transformação, e não apenas o líquido utilizado na têmpera. O óleo, os sais de nitrato–nitrito e outros meios podem ser utilizados em mais do que um ciclo; as variáveis decisivas são o percurso de temperatura, o tempo a cada temperatura e a transformação que se permite ocorrer.

Percurso de transformação e microestrutura final

Na têmpera e revenido convencionais, o aço austenitizado é arrefecido suficientemente depressa para evitar a maior parte da formação de perlite e bainite. A austenite atravessa a temperatura de início da formação de martensite, $M_s$, e transforma-se progressivamente em martensite à medida que o arrefecimento prossegue. A martensite resultante é dura, mas apresenta tensões elevadas, pelo que o revenido é realizado antes da entrada em serviço. O revenido precipita compostos que contêm carbono, reduz as tensões internas e altera o equilíbrio entre dureza, resistência, tenacidade e estabilidade dimensional.

A martêmpera altera o momento em que esta sequência ocorre, e não o seu produto principal. A peça é temperada a partir da temperatura de austenitização para um banho de óleo ou de sais fundidos mantido imediatamente acima de $M_s$. Permanece aí apenas o tempo suficiente para que a superfície e o núcleo atinjam temperaturas semelhantes. Em seguida, a peça é arrefecida, geralmente ao ar, através do intervalo de formação de martensite. Assim, a martensite forma-se depois de grande parte da secção ter atingido o equilíbrio térmico, e não enquanto ainda existe um gradiente acentuado de temperatura entre a superfície e o núcleo. A martêmpera não elimina a necessidade de revenido. O Heat Treating Subject Guide (2020) da ASM International afirma que o aço submetido a martêmpera deve ser posteriormente revenido antes da entrada em serviço.

A austêmpera segue um percurso de transformação diferente. O aço austenitizado é temperado para um banho mantido dentro do intervalo de transformação bainítica e aí mantido até que a fracção necessária de austenite se converta em bainite. Um estudo de 2013 sobre o AISI 52100 descreve um intervalo de austêmpera de aproximadamente 200 a 400 °C, com o período de manutenção prolongado até à formação de bainite. Dependendo do teor de carbono, dos elementos de liga, da temperatura e do tempo de manutenção, o produto pode ser bainite superior, bainite inferior ou uma mistura que contenha martensite e austenite retida. O processo não é simplesmente “martêmpera com uma manutenção mais longa”. Um estudo de 2024 publicado na ACS Omega distingue explicitamente a austêmpera, que mantém o aço até ocorrer a transformação bainítica, da martêmpera, que igualiza brevemente a temperatura acima de $M_s$ antes do arrefecimento ao ar.

O aço submetido a austêmpera pode ainda necessitar de um tratamento posterior ou de uma etapa de estabilização, mas não é automaticamente sujeito à mesma operação de revenido utilizada para o aço temperado totalmente martensítico. O ciclo necessário depende da microestrutura especificada e das condições de serviço. A austêmpera a baixa temperatura e de curta duração pode produzir nanobainite juntamente com martensite e austenite retida. Num estudo de 2020 sobre um aço de médio carbono e baixa liga, esta estrutura produziu coeficientes de desgaste até 50% inferiores aos medidos no aço martensítico temperado. Esse resultado sustenta uma vantagem específica do processo nesse ensaio; não estabelece uma classificação universal da resistência ao desgaste.

Objetivos relativos à distorção e à fissuração

A têmpera convencional expõe a peça a duas fontes principais de alteração dimensional: a contracção térmica e a deformação de transformação. A superfície arrefece e transforma-se antes do núcleo, pelo que a secção é sujeita a tensões variáveis à medida que a temperatura e a fracção de fase variam ao longo da sua espessura. Formas complexas, cantos vivos, furos, transições entre secções finas e espessas e camadas cementadas são particularmente sensíveis. Se as tensões excederem a resistência local do material quente ou em transformação, podem formar-se fissuras.

A martêmpera aborda a componente associada ao gradiente térmico mantendo o aço próximo de $M_s$, mas acima dessa temperatura, antes do início da formação de martensite. A superfície e o núcleo transformam-se então ao longo de intervalos de temperatura mais semelhantes. Um artigo de 1946 sobre o intervalo de temperaturas de formação de martensite descreveu este princípio como a têmpera até imediatamente acima do intervalo martensítico, seguida de um arrefecimento lento, reduzindo a fissuração e sacrificando pouca dureza. O processo reduz a distorção; não garante, contudo, o controlo dimensional, uma vez que a transformação martensítica continua a provocar alteração de volume e tensões residuais.

A austêmpera pode reduzir a distorção por uma razão diferente. Grande parte da transformação ocorre isotermicamente sob a forma de bainite, em vez de ocorrer através de uma frente martensítica móvel durante um arrefecimento contínuo. A bainite também apresenta a sua própria deformação de transformação, e a austenite retida pode transformar-se posteriormente durante a maquinagem ou em serviço. Consequentemente, a austêmpera pode reduzir uma classe de distorção, mas introduzir outras preocupações relacionadas com a estabilidade dimensional se a transformação for incompleta ou mal controlada.[5][5] Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels. SAE International. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013.

Os dados obtidos em aços de baixa liga cementados ilustram a dependência relativamente à geometria e ao material. O artigo SAE 2013-01-0949 analisou os aços cementados AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320, utilizando temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C. Nos ensaios realizados, os provetes cementados e submetidos a austêmpera apresentaram uma distorção significativamente menor do que os provetes cementados, temperados e revenidos. Este resultado não pode ser automaticamente extrapolado para qualquer profundidade de camada, dimensão de secção ou configuração de forno e banho. A temperabilidade determina se o centro atinge o intervalo de transformação pretendido antes da formação de perlite, enquanto a agitação, a temperatura do banho, a carga e o tempo de transferência afectam o ciclo térmico real.

Quando a comparação não é tecnicamente válida

A afirmação de que a austêmpera produz maior dureza, tenacidade, resistência ao desgaste ou estabilidade dimensional do que a martêmpera ou a têmpera e revenido convencionais é incompleta, a menos que a comparação controle as variáveis que determinam a transformação. Os provetes devem utilizar o mesmo tipo de aço, incluindo o mesmo lote e a mesma condição química; a mesma geometria e espessura de secção; a mesma temperatura de austenitização, tempo de manutenção, atmosfera e microestrutura inicial; bem como condições comparáveis da superfície, rugosidade, descarbonetação e camada cementada.

Os critérios de aceitação também devem corresponder à função pretendida. Comparar apenas a dureza Rockwell pode favorecer uma estrutura martensítica, ignorando a susceptibilidade à fissuração, a instabilidade da austenite retida, a tenacidade ao impacto ou a distorção. Um ensaio de desgaste realizado com uma única carga, contra-corpo e condição de lubrificação não pode classificar estruturas para todas as aplicações de contacto. As medições dimensionais devem especificar o momento em que foram realizadas, porque a austenite retida pode transformar-se após a têmpera, a austêmpera, a maquinagem ou durante o serviço.

A especificação também é relevante. A SAE AMS-H-6875C (2020) abrange os requisitos de tratamento térmico para quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera ausbay e a martêmpera quando o procedimento é especificado. A verificação deve, por conseguinte, incluir o perfil de dureza exigido, a microestrutura, a profundidade da camada quando aplicável, os limites de distorção e evidência da ausência de fissuração e de descarbonetação inaceitável. O Volume 4A do ASM Handbook (2013) identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de manutenção, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo da martêmpera. A alteração de qualquer uma delas pode invalidar uma comparação directa entre processos.

Lista de verificação prática de referência e glossário de terminologia

Perguntas a responder antes de especificar um ciclo

Comece pela microestrutura necessária, não pelo nome do banho. A austêmpera e a martêmpera podem utilizar sais fundidos ou óleo, mas os seus percursos de transformação e produtos são diferentes. Especifica-se a austêmpera quando a bainita é a microestrutura pretendida. Especifica-se a martêmpera quando a peça deve formar martensite após uma interrupção para equalização da temperatura, seguida de revenido.

Identifique exactamente a designação do aço conforme fornecida: por exemplo, AISI 52100, AISI 8620, AISI 8822, AISI 4320, ou a designação SAE, ASTM, EN ou AMS aplicável. A composição química controla a temperabilidade, a dissolução de carbonetos, a cinética da bainita, a temperatura de início da formação de martensite e a austenite retida. Um ciclo demonstrado para AISI 52100 não pode ser transferido automaticamente para AISI 8620 cementado.

Registe a dimensão e a forma da secção, incluindo alterações de espessura, furos, rasgos de chaveta, cantos vivos e a massa da carga. Um anel fino e um dente de engrenagem espesso não arrefecem à mesma velocidade, mesmo quando colocados no mesmo banho. Verifique se o material é cementado ou não cementado. Para peças cementadas, especifique a profundidade da camada, o teor de carbono pretendido à superfície, a composição do núcleo e se a microestrutura de bainita ou martensite pretendida se aplica à camada, ao núcleo ou a ambos.

A temperatura de austenitização deve ser seleccionada de acordo com o tipo e o estado do aço. Deve permitir a formação da austenite necessária sem crescimento excessivo do grão, dissolução indesejada de carbonetos ou formação anormal de austenite retida. A especificação deve também indicar a atmosfera do forno, a velocidade de aquecimento quando a distorção for relevante, o tempo de permanência, a disposição da carga e se a temperatura corresponde ao valor definido no forno, à temperatura da peça ou a uma temperatura efectiva medida.

Defina o tempo de transferência do forno para o banho de têmpera. Uma transferência longa ou variável pode permitir o arrefecimento da superfície, a formação de ferrite ou perlite num aço de baixa temperabilidade, ou condições térmicas desiguais no interior de uma carga. Indique a composição e a temperatura de funcionamento do banho, em vez de escrever apenas “têmpera em sal”. Um sal de nitratos-nitritos, um óleo ou outro meio apresentam comportamentos de transferência de calor e limites de funcionamento seguro diferentes. A agitação, a circulação, a carga do banho e a recuperação da temperatura também fazem parte do ciclo.

Para a austêmpera, determine o intervalo de transformação bainítica e o tempo necessário para que a secção seleccionada atinja uma temperatura quase uniforme e complete a transformação pretendida. Para a martêmpera, estabeleça a temperatura de início da formação de martensite, ou Ms, e defina a interrupção acima desse valor. A permanência permite equalizar a temperatura; não se destina a produzir bainita. A velocidade de arrefecimento subsequente deve permitir a formação de martensite sem gradientes térmicos excessivos. Verifique se um revenido separado é obrigatório e especifique a sua temperatura, duração, atmosfera e número de ciclos.

Por fim, defina as evidências de aceitação antes do início do processamento. A dureza, por si só, não pode demonstrar que a austêmpera produziu bainita ou que a martêmpera produziu a microestrutura martensítica pretendida. Exija análise metalográfica, inspecção dimensional e medição da austenite retida quando o tipo de aço, o teor de carbono, a camada cementada ou os requisitos de serviço tornarem significativa a austenite retida.

Termos essenciais: Ms, bainita, martensite, austêmpera, martêmpera

Ms, ou temperatura de início da formação de martensite, é a temperatura à qual a martensite começa a formar-se durante o arrefecimento nas condições relevantes. Não é uma constante universal do “aço”; o teor de elementos de liga, o carbono presente na austenite, o tratamento térmico anterior e o estado de tensão influenciam-na. A martêmpera interrompe o arrefecimento imediatamente acima de Ms, para que as diferenças de temperatura no interior da peça possam diminuir antes do início da transformação martensítica.

A martensite é um produto sem difusão formado quando a austenite arrefece suficientemente depressa para suprimir os produtos de transformação por difusão. A sua morfologia em ripas ou placas e a sua elevada dureza resultam de uma transformação deslocativa e da supersaturação de carbono. A martensite é normalmente seguida de revenido, porque as tensões de têmpera, a fragilidade e a instabilidade dimensional no estado temperado podem ser inaceitáveis em serviço.

A bainita forma-se a partir da austenite num intervalo de temperaturas abaixo do intervalo da perlita e acima do intervalo martensítico inferior, embora o intervalo exacto de transformação dependa da composição e do estado prévio da austenite. Contém regiões ferríticas com precipitação de carbonetos ou enriquecimento em carbono, e a sua morfologia altera-se com a temperatura de transformação. Uma peça austemperada também pode conter martensite ou austenite retida se a permanência for demasiado curta, se a temperatura do banho for inadequada ou se a cinética de transformação não estiver completamente estabelecida.

Austêmpera significa temperar o aço austenitizado até uma temperatura à qual se forma bainita, mantê-lo nessa temperatura até se obter a transformação especificada de austenite em bainita e, em seguida, arrefecê-lo até à temperatura ambiente. Um estudo de 2013 sobre AISI 52100 descreveu um meio de austêmpera mantido aproximadamente entre 200 e 400 °C, com permanência até à formação de bainita. Em AISI 8620, AISI 8822 e AISI 4320 cementados, foram utilizadas temperaturas de austêmpera de 260, 288 e 304 °C, tendo sido comunicada uma distorção inferior à do processo convencional de cementação, têmpera e revenido nas condições testadas. Esses valores são dados de processo, não definições universais.

Martêmpera é uma têmpera interrompida. O ASM Handbook Volume 4A (2013) identifica a temperatura de austenitização, a temperatura do banho, o tempo de permanência, a agitação e a velocidade de arrefecimento como variáveis de controlo. A peça é mantida brevemente em óleo ou sal, imediatamente acima de Ms, até a sua temperatura se equalizar, sendo depois arrefecida através do intervalo martensítico. O resultado pretendido é martensite, não bainita, e a peça deve ser posteriormente revenida antes de entrar em serviço. Um tratamento de 1946 sobre a formação de martensite estabeleceu a lógica de redução das fissuras: diminuir os gradientes de temperatura antes da transformação, sacrificando o mínimo possível da dureza alcançável.

Os nomes descrevem, portanto, a finalidade da transformação. Um banho de sal não torna um ciclo numa austêmpera, e uma permanência curta não o torna numa martêmpera. A microestrutura observada determina se o processo pretendido ocorreu. A SAE AMS-H-6875C (2020) abrange quatro classes de aço e permite a austêmpera, a têmpera em banho de temperatura intermédia (ausbay quenching) e a martêmpera quando especificadas; continuam, contudo, a prevalecer os requisitos aplicáveis ao material e ao produto.

Registos mínimos para um tratamento térmico repetível

Um registo repetível relaciona o material, o percurso térmico, as condições do banho e os resultados da inspecção. No mínimo, registe:

• designação do aço, número da corrida ou do lote, dimensão da secção, geometria da peça, massa da carga e estado cementado ou não cementado;
• profundidade da camada e informações sobre o carbono à superfície ou no núcleo quando estiver envolvida a cementação;
• temperatura de austenitização, atmosfera do forno, tempos de aquecimento e de permanência e temperatura medida da carga;
• tempo de transferência do forno para o banho, composição do banho, temperatura do banho, agitação ou circulação, espaçamento entre peças e recuperação da temperatura do banho;
• para a austêmpera, tempo de equalização, temperatura e duração da permanência de transformação e evidência de que a reacção bainítica atingiu a condição especificada;
• para a martêmpera, Ms, se estabelecida, temperatura do banho acima de Ms, permanência para equalização, método e velocidade do arrefecimento final e o momento em que foi permitido prosseguir a transformação martensítica;
• temperatura, duração e atmosfera do revenido, método de arrefecimento e número de ciclos de revenido;
• localização da medição de dureza, método de ensaio, escala e resultados; preparação metalográfica e imagens representativas; método e percentagem de medição da austenite retida, quando relevante; e medições dimensionais antes e depois do tratamento.

Um registo de ciclo deve identificar a calibração dos instrumentos e os registos efectivos de temperatura, e não apenas os valores nominais definidos. Quando existir uma camada cementada, a microestrutura deve ser verificada à superfície, no núcleo e na região de transição. A inspecção dimensional deve incluir as características com maior probabilidade de se alterarem: diâmetro exterior, furo, perfil dos dentes, planeza, excentricidade e distorção nas alterações de secção.

Referência rápida: especifique a designação do aço; a dimensão da secção; o estado cementado ou não cementado; a temperatura de austenitização; o tempo de transferência; a composição e a temperatura do banho; a agitação; a permanência de equalização ou de transformação; o arrefecimento final; o revenido; a dureza; a análise metalográfica; a avaliação da austenite retida, quando relevante; e a inspecção dimensional. Em seguida, verifique a microestrutura. A bainita confirma a finalidade da austêmpera; a martensite formada após a equalização e seguida de revenido confirma a finalidade da martêmpera.

Referências

1. [1]ASM International. ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels. ASM Handbook, 2013. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1
2. [2]The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided
3. [3]Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel. Metal and Materials International, 2020. https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6
4. [4]SAE International. Heat Treatment of Steel Raw Materials. SAE AMS-H-6875C, 2020. https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf
5. [5]SAE International. Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013. https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949