--- title: "Distorção provocada pelo tratamento térmico e tensões…" description: "Aprenda como o tratamento térmico provoca distorções e tensões residuais no aço através de gradientes térmicos, transformações de fase e têmpera." canonical: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o language: pt robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/heat-treatment-distortion-and-residual-stress-in-steel.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/deformace-v-důsledku-tepelného-zpracování-a-zbytkové-napětí-v-oceli.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/wärmebehandlung/wärmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/distorsión-por-tratamiento-térmico-y-tensiones-residuales-en-el-acero.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/distorsion-et-contraintes-résiduelles-dans-l-acier-dues-au-traitement-thermique.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/a-hőkezelés-okozta-alakváltozás-és-maradó-feszültség-acélban.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/distorsione-da-trattamento-termico-e-tensioni-residue-nell-acciaio.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/vervorming-door-warmtebehandeling-en-restspanningen-in-staal.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obróbka-cieplna/odkształcenia-powstałe-podczas-obróbki-cieplnej-i-naprężenia-resztkowe-w-stali.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/деформация-и-остаточные-напряжения-в-стали-после-термической-обработки.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çelikte-isıl-işlem-deformasyonu-ve-artık-gerilme.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢材热处理变形与残余应力.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼の熱処理による変形と残留応力.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/التشوه-والإجهادات-المتبقية-في-الفولاذ-الناتجان-عن-المعالجة-الحرارية.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강의-열처리-변형-및-잔류-응력.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/distorção-e-tensão-residual-no-tratamento-térmico-do-aço.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-में-ऊष्मा-उपचार-के-कारण-विकृति-और-अवशिष्ट-तनाव.md content_hash: sha256:7ba6d17bc30ff7b1095975ef1afa049a121ec865a3269adce6669808c7763d6d generated: 2026-09-21 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o > Canonical URL: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real > content change; `generated` moves on every render and is not a change signal. ![Distorção provocada pelo tratamento térmico e tensões residuais no aço](/images/uploads/04bd29f1-6a80-48dd-bc9b-7031d130dae1/wiki-hero-a-red-hot-steel-shaft-being-lifted-from-a-quench-tank-with-vapor-rising-from-its-1920x823.jpg) Tratamento térmico # Distorção provocada pelo tratamento térmico e tensões residuais no aço Aprenda como o tratamento térmico provoca distorções e tensões residuais no aço através de gradientes térmicos, transformações de fase e têmpera. ![Retrato de Anders Bergström, repórter da indústria do aço](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg) **[Anders Bergström](/pt/noticias/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Tratamento térmico 60+ min de leitura Atualizado 14 de ago. de 2026 Revisto com evidência Nesta páginaNesta página - [1. O que significam a distorção e a tensão residual resultantes do tratamento térmico](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#1-o-que-significam-a-distorção-e-a-tensão-residual-resultantes-do-tratamento-térmico "1. O que significam a distorção e a tensão residual resultantes do tratamento térmico") - [2. As Três Principais Fontes de Tensão Residual no Aço Tratado Termicamente](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#2-as-três-principais-fontes-de-tensão-residual-no-aço-tratado-termicamente "2. As Três Principais Fontes de Tensão Residual no Aço Tratado Termicamente") - [3. Aquecimento: a primeira fase do risco de distorção](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#3-aquecimento-a-primeira-fase-do-risco-de-distorção "3. Aquecimento: a primeira fase do risco de distorção") - [4. Austenitização e Estado Metalúrgico Antes da Têmpera](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#4-austenitização-e-estado-metalúrgico-antes-da-têmpera "4. Austenitização e Estado Metalúrgico Antes da Têmpera") - [5. A Têmpera como Problema Acoplado de Transferência de Calor e Transformação](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#5-a-têmpera-como-problema-acoplado-de-transferência-de-calor-e-transformação "5. A Têmpera como Problema Acoplado de Transferência de Calor e Transformação") - [6. Transformações de Fase e Deformação Induzida pela Transformação](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#6-transformações-de-fase-e-deformação-induzida-pela-transformação "6. Transformações de Fase e Deformação Induzida pela Transformação") - [7. Geometria, Espessura da Secção e Conceção dos Componentes](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#7-geometria-espessura-da-secção-e-conceção-dos-componentes "7. Geometria, Espessura da Secção e Conceção dos Componentes") - [8. Perfis de Tensões Residuais Após a Têmpera](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#8-perfis-de-tensões-residuais-após-a-têmpera "8. Perfis de Tensões Residuais Após a Têmpera") - [9. Revenido, alívio de tensões e tratamento térmico subsequente](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#9-revenido-alívio-de-tensões-e-tratamento-térmico-subsequente "9. Revenido, alívio de tensões e tratamento térmico subsequente") - [10. Maquinação, Retificação e Libertação de Tensões Ocultas](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#10-maquinação-retificação-e-libertação-de-tensões-ocultas "10. Maquinação, Retificação e Libertação de Tensões Ocultas") - [11. Fissuração, Retrabalho e Consequências em Serviço](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#11-fissuração-retrabalho-e-consequências-em-serviço "11. Fissuração, Retrabalho e Consequências em Serviço") - [12. Medição da Distorção e das Tensões Residuais](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#12-medição-da-distorção-e-das-tensões-residuais "12. Medição da Distorção e das Tensões Residuais") - [13. Modelação e Simulação da Distorção durante o Tratamento Térmico](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#13-modelação-e-simulação-da-distorção-durante-o-tratamento-térmico "13. Modelação e Simulação da Distorção durante o Tratamento Térmico") - [14. Estratégias de Processo e de Projeto para Controlar a Distorção](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#14-estratégias-de-processo-e-de-projeto-para-controlar-a-distorção "14. Estratégias de Processo e de Projeto para Controlar a Distorção") - [15. Considerações relativas à classe, à norma e à especificação do processo](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#15-considerações-relativas-à-classe-à-norma-e-à-especificação-do-processo "15. Considerações relativas à classe, à norma e à especificação do processo") - [16. Um Quadro de Diagnóstico para Falhas de Distorção](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#16-um-quadro-de-diagnóstico-para-falhas-de-distorção "16. Um Quadro de Diagnóstico para Falhas de Distorção") - [17. Distinções fundamentais e equívocos comuns](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#17-distinções-fundamentais-e-equívocos-comuns "17. Distinções fundamentais e equívocos comuns") - [18. Tabelas de Referência e Lista de Verificação Prática](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#18-tabelas-de-referência-e-lista-de-verificação-prática "18. Tabelas de Referência e Lista de Verificação Prática") ## 1. O que significam a distorção e a tensão residual resultantes do tratamento térmico #### Sequência do tratamento térmico 1. **Aquecimento** Os gradientes de temperatura criam uma expansão térmica diferencial e podem causar deformação plástica precoce. 2. **Manutenção** Forma-se a austenite, redistribuem-se o carbono e os elementos de liga e desenvolve-se o tamanho de grão. 3. **Têmpera** As diferenças de arrefecimento entre a superfície e o núcleo combinam-se com a deformação da transformação de fase e a restrição. 4. **Revenido** A martensite transforma-se, parte das tensões relaxa e a austenite retida pode continuar a transformar-se. O tratamento térmico altera mais do que a dureza. Durante o aquecimento, a manutenção à temperatura, a têmpera e o revenido, uma peça de aço é submetida a gradientes de temperatura, transformações de fase, alterações de volume, deformação elástica, escoamento plástico e alterações da resistência. As suas dimensões finais e o seu estado de tensão interna resultam, por conseguinte, de um processo termomecânico e metalúrgico acoplado, e não apenas do historial de temperaturas. \[1\] \[1\] [**Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review**](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x). Authors in the review. Journal of Materials Engineering and Performance, 2022. Uma aresta fina pode arrefecer e transformar-se antes do núcleo. Uma camada cementada pode contrair-se de forma diferente do interior de baixo teor de carbono. Uma peça vazada pode já conter tensões resultantes da solidificação antes de entrar no forno. O movimento do meio de têmpera, a temperatura do banho, a orientação da peça, a espessura da secção, a temperabilidade da liga e até a sequência de maquinagem podem alterar o resultado. A revisão de 2022, publicada por autores do *Journal of Materials Engineering and Performance*, identifica as interações entre transferência de calor, transformação de fase, geometria, espessura da secção, seleção do meio de têmpera e severidade da têmpera como fatores determinantes, e não como variáveis independentes ([revisão de 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "revisão de 2022")). ### Distorção dimensional versus tensão interna **Distorção** é uma alteração não intencional da forma ou das dimensões de uma peça. Inclui arqueamento, flexão, torção, ovalização, conicidade, crescimento ou contração local e alterações da planeza ou do batimento. Um veio temperado que adquire forma de banana sofreu distorção. Um anel de rolamento que passa de circular a oval também sofreu distorção, mesmo que o seu diâmetro médio se altere muito pouco. A distorção é detetada através de inspeção dimensional, medição por coordenadas, calibres ou comparações com a geometria anterior ao tratamento. **Tensão residual** é a tensão que permanece no interior de um corpo depois de cessar a carga externa, a diferença de temperatura ou a operação de processamento que a produziu. É autoequilibrada: coexistem regiões tracionadas e comprimidas, permitindo que o componente satisfaça o equilíbrio global de forças e momentos sem uma carga aplicada. Uma superfície pode estar submetida a compressão enquanto a região subsuperficial está submetida a tração, ou vice-versa. O componente pode parecer direito enquanto estas tensões permanecem substanciais. As três principais fontes de tensões residuais no aço tratado termicamente. | Fonte de tensão | Causa principal | Consequência típica | |---|---|---| | Térmica | Expansão ou contração desigual | Tensão entre a superfície e o núcleo, flexão ou empeno | | Transformação | Diferentes mudanças de fase e deformações de transformação | Crescimento, contração, ovalização ou inversão de tensões | | Endurecimento | Cedência local e evolução da resistência | Deformação permanente, redistribuição e risco de fissuração | O capítulo da ASM International, “Tensões residuais e distorção em [aços temperados e revenidos](/pt/categorias/aços-temperados-e-revenidos "aços temperados e revenidos")”, distingue as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento. A tensão residual térmica desenvolve-se quando diferentes regiões sofrem contrações de amplitudes distintas durante o arrefecimento. A tensão residual de transformação surge quando a austenite se transforma em produtos como martensite, bainite ou perlite em momentos e locais diferentes. A tensão residual de endurecimento reflete a interação destes efeitos com a evolução da resistência e da plasticidade do aço. Estas categorias sobrepõem-se numa peça real, mas a distinção ajuda a identificar a origem de um problema dimensional ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")). #### Distinção fundamental Uma peça pode cumprir as tolerâncias dimensionais mantendo um campo severo de tensões internas, ou pode sofrer distorção após a maquinagem quando a remoção de material liberta um estado de tensões equilibrado. Um componente pode cumprir as tolerâncias dimensionais mantendo um campo severo de tensões internas que posteriormente desloca ou danifica a peça. Strong evidence A distorção e a tensão residual ocorrem frequentemente em conjunto, mas não são equivalentes. Um componente pode apresentar empeno visível e, após uma relaxação plástica substancial, ter uma quantidade relativamente limitada de tensão retida. Também pode cumprir as tolerâncias dimensionais e, ainda assim, conter um campo de tensões internas severo. Esta última condição é perigosa, porque operações posteriores de maquinagem, retificação ou soldadura, cargas de serviço ou ciclos térmicos podem libertar ou redistribuir a tensão. *Metalurgia do Tratamento Térmico*, preservada no arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology, descreve como as tensões de têmpera não aliviadas podem provocar empeno durante a maquinagem: a remoção de material altera o equilíbrio que anteriormente mantinha a peça na forma medida ([arquivo de dados de materiais do NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "arquivo de dados de materiais do NIST")). É por isso que uma inspeção final realizada imediatamente após a têmpera não descreve totalmente a estabilidade dimensional. Uma engrenagem pode passar num controlo de batimento e, depois, deslocar-se durante a retificação de acabamento. Uma placa pode permanecer plana até uma das faces ser fresada. Um veio endurecido pode apresentar pouca alteração enquanto está apoiado, mas fletir depois de ser desapertado. A correção dimensional numa determinada fase não constitui prova de que o estado de tensão seja inofensivo. ### Porque pode uma peça estar dimensionalmente correta e, ainda assim, apresentar tensões elevadas Uma peça mantém-se dimensionalmente correta quando as deformações produzidas durante o tratamento são compatíveis com a sua forma, as suas restrições e a resposta do material, mesmo que as tensões internas sejam elevadas. Considere-se uma barra longa e uniforme aquecida e arrefecida de forma quase simétrica. A sua superfície e o seu núcleo podem desenvolver tensões opostas, mas o momento fletor resultante pode permanecer próximo de zero. A barra mantém-se direita enquanto as tensões de tração e de compressão se equilibram ao longo da sua secção. Pode ocorrer um resultado semelhante num anel ou num disco quando o campo de tensões é axisimétrico. O componente pode expandir ou contrair de forma suficientemente uniforme para permanecer redondo, embora as tensões radiais e circunferenciais fiquem retidas no material. A medição dimensional regista a consequência externa; não revela diretamente a distribuição interna de tensões. Também é possível o inverso. Se um dos lados arrefecer mais depressa, ou se um flange fino se transformar antes de um cubo espesso, uma deformação incompatível provoca flexão ou torção. Parte da tensão é aliviada por deformação plástica, deixando uma alteração permanente da forma. A peça final pode, portanto, apresentar uma distorção evidente, mesmo depois de grande parte da tensão original ter desaparecido. A obra da ASM, *Princípios Básicos e Orientações de Projeto para o Tratamento Térmico do Aço*, identifica a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios primários de projeto do tratamento térmico. Esta formulação é importante: reduzir apenas a alteração dimensional é insuficiente. Um processo que mantenha uma peça direita através de uma fixação severa pode deixar uma tensão elevada, que se manifesta posteriormente sob a forma de fissuração, danos de retificação ou instabilidade em serviço. O U.S. Department of Energy também relaciona as tensões térmicas e residuais em peças vazadas de aço com distorção, fissuração, retrabalho, reparação por soldadura, erro dimensional e redução do desempenho em serviço ([relatório do DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "relatório do DOE")). O historial do material também altera o ponto de partida. A forjagem, a fundição, a soldadura, a deformação a frio, a maquinagem, a cementação, a nitruração ou o alívio de tensões anteriores podem alterar a estrutura dos grãos, a dureza, a tensão residual e o comportamento de transformação. O trabalho da University of Iowa sobre peças vazadas de aço salienta que o historial de fundição deve ser incluído na previsão das dimensões finais e das tensões residuais. Uma simulação do tratamento térmico que se inicia com uma microestrutura uniforme e presumivelmente isenta de tensões pode, por conseguinte, produzir uma resposta precisa para o problema errado. ### Deformação elástica, deformação plástica e alteração permanente da forma Deformação elástica **Deformação elástica** Deformação que é recuperada quando a tensão aplicada é removida, desde que o material não tenha sofrido cedência. A deformação elástica é uma deformação recuperável. Quando a tensão é removida, o material regressa à sua forma anterior, ou aproxima-se dela. Durante a têmpera, as diferenças de temperatura e as deformações de transformação geram inicialmente tensão elástica, mas apenas enquanto a tensão local permanecer abaixo do limite de elasticidade dependente da temperatura. A deformação plástica é uma deformação permanente produzida quando a tensão local excede esse limite de elasticidade variável. O aço quente entra facilmente em cedência durante o aquecimento; as regiões mais frias e em transformação podem adquirir resistência suficiente para resistir à deformação, enquanto as regiões vizinhas continuam a contrair-se ou a transformar-se. Como o limite de elasticidade, o coeficiente de expansão térmica e a composição de fases variam durante o tratamento, a fronteira entre o comportamento elástico e plástico desloca-se ao longo de toda a peça. \[2\] \[2\] [**Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II**](). Authors of the IJMPT discussions. International Journal of Materials and Product Technology, 2005. A distorção permanente resulta quando as deformações plásticas são espacialmente incompatíveis. Se todas as regiões se contraíssem de forma igual, a peça tornar-se-ia simplesmente mais pequena. Se uma região se contrair mais do que outra e a diferença não puder ser acomodada elasticamente, a peça flete, torce ou altera o seu perfil. As transformações de fase acrescentam outra fonte de deformação: a formação de martensite, por exemplo, envolve um aumento de volume, enquanto outras transformações apresentam momentos e amplitudes diferentes. A discussão de 2005 publicada no *International Journal of Materials and Product Technology* identifica os gradientes térmicos não uniformes como uma fonte principal de distorção durante a têmpera e relaciona a tensão residual com a deformação plástica à microescala, as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e da camada e a retificação final ([Parte I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "Parte I"); [Parte II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Parte II")). O relatório do Worcester Polytechnic Institute expressa o mesmo ponto como um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fase, tensão, deformação e alteração microestrutural ([relatório do WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "relatório do WPI")). Esse é o ponto de partida útil para o resto deste artigo: o tratamento térmico não impõe simplesmente um programa de temperaturas ao aço. Cria um campo móvel e interativo de deformações térmicas e metalúrgicas, e as dimensões finais são o vestígio visível desse historial. ## 2. As Três Principais Fontes de Tensão Residual no Aço Tratado Termicamente A tensão residual é a tensão que permanece depois de removidas as cargas externas e os gradientes de temperatura. A distorção é uma alteração dimensional: encurvamento, ovalização, crescimento, contração, torção ou alteração da planicidade. Os dois resultados estão relacionados, mas não são iguais. Um componente pode conservar uma tensão residual elevada e, ainda assim, apresentar dimensões rigorosamente corretas, ou pode deformar-se após a maquinagem porque a remoção de material liberta um campo de tensões anteriormente equilibrado. A ASM International separa a tensão residual resultante do tratamento térmico em três fontes principais: tensão térmica, tensão de transformação e tensão residual de endurecimento. Esta classificação é útil porque os mecanismos são diferentes, embora atuem simultaneamente numa peça de aço real. Por isso, uma expressão como “tensão de têmpera” oculta a sequência efetiva dos acontecimentos. A transferência de calor, a transformação de fases, a espessura da secção, a geometria, a temperabilidade da liga, a seleção do meio de têmpera e o historial prévio do material determinam o mecanismo dominante numa determinada localização. ![Esquema que mostra uma superfície de aço mais fria a contrair-se em torno de um núcleo mais quente durante a têmpera](/images/uploads/2de32911-7d9e-4383-ada8-c336ccac9605/wiki-inline-a-cross-section-of-a-steel-bar-showing-surface-to-core-cooling-thermal-contracti-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/2de32911-7d9e-4383-ada8-c336ccac9605/wiki-inline-a-cross-section-of-a-steel-bar-showing-surface-to-core-cooling-thermal-contracti-2027x2560.avif "Ampliar imagem — Esquema que mostra uma superfície de aço mais fria a contrair-se em torno de um núcleo mais quente durante a têmpera")Surface-to-core temperature differences create changing thermal stress during cooling. ### Tensão residual térmica A tensão residual térmica começa com um aquecimento ou arrefecimento não uniforme. O aço expande quando é aquecido e contrai quando é arrefecido, mas um componente não altera a sua temperatura à mesma velocidade em todos os pontos. A superfície reage primeiro; o núcleo fica atrasado. Uma aresta fina, um cubo espesso, um canto vivo e um furo aberto desenvolvem, cada um, históricos de temperatura diferentes. Durante o arrefecimento, um interior quente tende a permanecer expandido, enquanto a superfície mais fria se contrai. A superfície é restringida pelo núcleo mais quente e pode, por isso, entrar em compressão, enquanto o núcleo desenvolve tensão de tração. Se a superfície arrefecer e se contrair depois de o núcleo já ter arrefecido, o padrão de tensões pode inverter-se. O sinal final não é determinado pela palavra “têmpera”. Depende da sequência temporal, da geometria local, da condutividade térmica, da severidade da têmpera e da ocorrência, ou não, de cedência durante o transiente. O aquecimento pode criar a sequência oposta. Uma superfície aquecida rapidamente tenta expandir-se contra um interior mais frio e pode sofrer cedência em compressão. Durante o arrefecimento subsequente, essa superfície plasticamente deformada pode deixar uma tensão residual de tração. A uniformidade do forno, a disposição da carga, a orientação da peça e o contacto com os dispositivos de fixação afetam o campo de temperaturas antes do início da têmpera. A obra *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel*, da ASM, identifica a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios fundamentais de projeto do tratamento térmico. O ponto é prático: os gradientes térmicos não constituem apenas uma questão de controlo da temperatura. Produzem deformações incompatíveis, que podem tornar-se permanentes quando a tensão local excede a tensão de cedência dependente da temperatura. Os gradientes térmicos não uniformes durante a têmpera são identificados como uma fonte principal de distorção por têmpera no *International Journal of Materials and Product Technology*. Um veio longo e esbelto pode dobrar-se porque um dos lados arrefece mais rapidamente do que o outro. Um anel pode tornar-se oval porque as superfícies exterior e interior trocam calor a velocidades diferentes. Uma placa pode adquirir uma forma côncava quando as suas faces sofrem um arrefecimento desigual. A tensão residual pode variar de tração a compressão ao longo de apenas alguns milímetros, pelo que um único valor médio pouco informa sobre o risco de fissuração ou sobre os movimentos posteriores durante a maquinagem. ### Tensão residual de transformação A tensão residual de transformação surge quando o aço altera a sua estrutura cristalina e, consequentemente, altera o seu volume e a sua resposta mecânica. Durante o arrefecimento a partir da austenite, diferentes regiões podem transformar-se em ferrite, perlite, bainite ou martensite a temperaturas diferentes. A transformação martensítica produz uma deformação de transformação significativa, enquanto a quantidade e o sentido da alteração dimensional também dependem do teor de carbono, dos elementos de liga, da austenite retida e da fração de cada constituinte. A superfície de uma peça temperada arrefece e transforma-se frequentemente antes do núcleo. Se a superfície formar martensite enquanto o interior permanece austenítico, a superfície expande-se enquanto o núcleo continua quente e relativamente deformável. Mais tarde, o núcleo transforma-se e expande-se, mas a superfície já endurecida resiste a esse movimento. O estado de tensão pode, consequentemente, alterar-se durante a têmpera. Uma superfície inicialmente submetida a tração pode terminar em compressão, ou o inverso, consoante o momento da transformação e a restrição imposta. É por isso que a tensão de transformação não pode ser tratada como uma correção uniforme de “expansão da martensite”. A deformação de transformação é local, e o material circundante pode encontrar-se a uma temperatura, fração de fases e tensão de cedência diferentes. Uma camada endurecida sobre um núcleo mais macio comporta-se de modo diferente de uma secção endurecida em toda a sua espessura. As peças cementadas, nitruradas e endurecidas por indução também desenvolvem gradientes acentuados de microestrutura e de deformação. A austenite retida pode transformar-se mais tarde durante o revenido, em serviço, na retificação ou durante o armazenamento, produzindo alterações dimensionais adicionais e relaxação da tensão. A transformação também afeta a tensão através da plasticidade de transformação. Sob a ação de uma tensão aplicada ou gerada internamente, uma região em transformação pode deformar-se plasticamente a tensões inferiores à tensão de cedência normal. A transformação acomoda então parte da deformação imposta, mas não necessariamente de forma a preservar a geometria original. A plasticidade de transformação local pode contribuir para a flexão, a ovalização e alterações da retilineidade. A revisão de 2022, “Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review”, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, descreve a tensão residual e a distorção como resultados da interação entre a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera. Essa interação é fundamental. Um meio de têmpera mais rápido pode aumentar o gradiente térmico, alterar a sequência de transformação e produzir simultaneamente uma superfície mais dura; separar esses efeitos posteriormente é difícil. ### Tensão de endurecimento e de deformação plástica A terceira fonte é a tensão criada quando a cedência local, o encruamento ou a restrição impedem uma deformação compatível. O aço não apresenta a mesma resistência em todas as fases de um tratamento térmico. A tensão de cedência varia acentuadamente com a temperatura e a microestrutura. A austenite à temperatura de têmpera pode deformar-se facilmente, enquanto a martensite recém-formada é muito mais resistente e menos dúctil. Uma secção pode, por isso, sofrer cedência numa região e permanecer no domínio elástico noutra. Suponha-se que uma camada superficial se contrai durante o arrefecimento, mas é restringida por um núcleo mais quente. Se a superfície exceder a sua tensão de cedência instantânea, sofrerá uma deformação plástica permanente. Quando o campo de temperaturas se tornar posteriormente mais uniforme, a recuperação elástica não poderá eliminar essa deformação plástica. O desajuste elástico remanescente constitui a tensão residual. Se um lado de um componente sofrer mais cedência do que o outro, o desajuste manifesta-se tanto como distorção como tensão. O endurecimento intensifica este efeito ao fixar diferenças locais. Uma camada martensítica pode resistir à contração de um núcleo menos endurecido; um núcleo macio pode acomodar parte da deformação, mas o arrefecimento e a transformação subsequentes podem inverter a distribuição de tensões. A uniformidade da têmpera, a agitação, a temperatura do meio de têmpera e o posicionamento da peça determinam se secções nominalmente idênticas endurecem da mesma forma. A retificação final pode acrescentar outra camada de tensão próxima da superfície, devido ao aquecimento local e à deformação mecânica. O *International Journal of Materials and Product Technology* atribui as tensões residuais no aço temperado à deformação plástica à microescala e aborda os efeitos das condições do meio de têmpera, do endurecimento superficial e endurecimento de camada e da retificação final. Este mecanismo explica por que razão não se pode presumir que as medições de tensão à superfície representem o núcleo. Explica também por que razão o alívio de tensões por revenido, tratamento térmico ou métodos mecânicos controlados deve ser selecionado tendo em conta o estado do material e as dimensões exigidas. Estas três fontes sobrepõem-se continuamente. A tensão térmica altera o percurso da transformação; a deformação de transformação altera a restrição térmica e mecânica; a cedência local redistribui ambas. O historial de fundição, a deformação de forjamento, a segregação, a maquinagem e a normalização ou recozimento anteriores alteram o estado inicial. Os relatórios da University of Iowa e do U.S. Department of Energy relacionam estas tensões residuais com a distorção, a fissuração, o retrabalho, a reparação por soldadura, os erros dimensionais e a redução do desempenho em serviço. O arquivo de dados de materiais do NIST salienta ainda que a tensão de têmpera não aliviada pode causar empenamento durante a maquinagem, quando a remoção de material perturba o equilíbrio original. Uma avaliação válida deve, portanto, determinar onde a tensão é de tração ou de compressão, como varia a sua magnitude ao longo da secção e como se altera de uma característica geométrica para outra. A resposta pode ser diferente à superfície, na fronteira entre a camada endurecida e o núcleo, a meia espessura, no furo, no raio de concordância e na face de extremidade. “Tensão de têmpera” é uma designação do processo, não um mecanismo. ## 3. Aquecimento: a primeira fase do risco de distorção A distorção não começa quando um componente de aço entra no meio de têmpera. Começa assim que diferentes regiões da peça atingem temperaturas diferentes e tentam expandir-se em proporções diferentes. A tensão resultante pode permanecer elástica ou exceder o limite de elasticidade local e produzir deformação permanente. Em qualquer dos casos, o ciclo de aquecimento estabelece a condição mecânica que mais tarde interage com a transformação e a têmpera. A tensão residual e a distorção estão relacionadas, mas não são idênticas. A tensão residual é uma tensão autoequilibrada que permanece no interior da peça depois de desaparecerem as cargas externas e as diferenças de temperatura. A distorção é uma alteração dimensional ou de forma. Um componente pode conservar uma tensão residual substancial sem apresentar empeno evidente, enquanto uma pequena quantidade de deformação plástica localizada pode produzir uma flexão mensurável ou perda de circularidade. A ASM International identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes distintos nos aços temperados e revenidos, e considera a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis critérios primordiais na conceção do tratamento térmico. ### Gradientes de temperatura durante o aquecimento no forno Um forno pode ter uma temperatura definida estável, enquanto a peça permanece longe da uniformidade térmica. A superfície absorve primeiro o calor; o núcleo reage mais tarde, porque o calor tem de se conduzir através da secção. Uma aresta, dente, nervura ou ressalto fino pode aproximar-se da temperatura do forno enquanto um cubo espesso ou o centro de uma placa ainda se encontram relativamente frios. A região quente tenta expandir-se, mas o interior mais frio restringe-a. Isto produz um padrão variável de tensões de compressão e de tração durante o período de aquecimento. O padrão não é fixo. No início do aquecimento, a superfície mais quente é normalmente colocada em compressão pelo núcleo mais frio, enquanto o núcleo é colocado em tração. À medida que a frente térmica avança para o interior, a distribuição de tensões altera-se e pode ocorrer cedência local se a diferença de temperatura for suficientemente elevada. Quando a peça mais tarde atinge o equilíbrio térmico, essas deformações plásticas anteriores não desaparecem. Passam a fazer parte da condição inicial para a têmpera. Por conseguinte, a velocidade de aquecimento é importante, mesmo quando a temperatura final de austenitização é idêntica. Uma rampa rápida pode aumentar as diferenças de temperatura entre a superfície e o núcleo, ao passo que um aquecimento faseado ou uma manutenção à temperatura de pré-aquecimento pode reduzi-las. Isso não torna o aquecimento lento uma solução universal: uma exposição prolongada pode alterar o tamanho de grão, a descarburização, a dissolução de carbonetos ou a oxidação, e os dispositivos de fixação podem continuar a restringir a peça ao longo de todo o ciclo. O programa adequado depende do grau de aço, da espessura da secção, da atmosfera do forno e da alteração dimensional admissível. A revisão de 2022, publicada por autores no *Journal of Materials Engineering and Performance*, descreve a distorção como uma interação entre a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera. O aquecimento é a primeira parte dessa cadeia. Um campo de temperaturas não uniforme à saída do forno proporciona à têmpera um ponto de partida térmico e mecânico desigual. ### Restrições à expansão térmica e geometria dos componentes Uma barra livre e uniforme pode expandir-se sem gerar uma tensão interna significativa. Os componentes reais raramente são livres ou uniformes. Um dispositivo de fixação pode prender uma flange, apoiar um veio em dois pontos ou impedir o movimento radial de um anel. A fricção de contacto pode manter uma área imóvel enquanto outra se expande. Uma característica adjacente pode atuar como uma restrição interna, mesmo quando não existe qualquer dispositivo de fixação externo. A geometria concentra estes efeitos. Um ressalto espesso ligado a uma alma fina aquece lentamente e expande-se segundo um ciclo diferente. Uma nervura pode restringir uma placa numa direção, produzindo flexão em vez de um simples crescimento linear. Os furos introduzem superfícies livres e reduzem a rigidez local; uma fila de furos pode fazer com que um lado do componente aqueça e se expanda de forma diferente do outro. Rasgos de chaveta, ranhuras, dentes, cantos vivos e alterações abruptas de secção criam gradientes térmicos locais e concentrações de tensão. Uma peça aparentemente simétrica pode ainda assim sofrer distorção se a sua massa for assimétrica ou se os seus pontos de apoio não estiverem dispostos simetricamente. Os componentes longos e esbeltos são especialmente sensíveis a pequenas diferenças de expansão ao longo de faces opostas. O facto de uma face ficar ligeiramente mais quente pode produzir curvatura antes de ocorrer qualquer transformação de fase. Os anéis e os discos podem alterar o diâmetro ou perder a planeza quando os seus bordos e centros seguem históricos de temperatura diferentes. As peças fundidas de grandes dimensões e os forjados pesados também podem conter regiões que reagem suficientemente devagar para permanecerem frias enquanto as saliências finas já se encontram próximas do intervalo de austenitização. Os dispositivos de fixação reduzem o movimento, mas também transferem carga para a peça. Uma fixação rígida pode suprimir um modo de distorção visível e, simultaneamente, aumentar a tensão armazenada, que é libertada durante a remoção da fixação ou a têmpera. Por conseguinte, um dispositivo de fixação deve ser considerado parte do sistema térmico e mecânico, e não apenas um meio de manter as dimensões. A ênfase dada pela revisão de 2022 à geometria e à espessura da secção aplica-se tanto à conceção dos dispositivos de fixação como ao próprio aço. ### Tensão preexistente, histórico de fundição e processamento anterior O componente que entra no forno já tem um histórico. A soldadura deixa tensões de contração térmica e pode criar uma zona afetada pelo calor com uma microestrutura e uma resistência diferentes das do aço de base. A forjagem produz linhas de fluxo direcionais, arrefecimento desigual e possíveis tensões residuais entre regiões fortemente deformadas e regiões pouco deformadas. A fundição pode deixar uma estrutura de grão não uniforme, segregação, porosidade, danos provocados por fissuração a quente e tensão residual resultante da solidificação e do arrefecimento. A deformação a frio aumenta a densidade de deslocações e armazena energia, enquanto a maquinagem pode remover uma camada superficial sob tensão e alterar o equilíbrio de forças ao longo de uma secção. O trabalho técnico da University of Iowa sobre peças de aço fundidas salienta que o histórico de fundição deve ser incluído na previsão das dimensões finais e das tensões residuais. Este ponto ultrapassa o âmbito das peças fundidas: um modelo de tratamento térmico que comece com um bloco homogéneo e sem tensões pode não identificar a razão pela qual uma peça real se dobra. O U.S. Department of Energy associa igualmente as tensões térmicas e residuais nas peças de aço fundidas à distorção, à fissuração, à reparação por soldadura, ao retrabalho, aos erros dimensionais e à redução do desempenho em serviço. A maquinagem anterior merece particular atenção. *Metallurgy of Heat Treatment*, conservado no arquivo de dados sobre materiais do National Institute of Standards and Technology, refere que as tensões de têmpera não aliviadas podem causar empeno durante a maquinagem, porque a remoção de material perturba o equilíbrio das tensões residuais. O mesmo princípio pode aplicar-se durante o aquecimento: uma superfície sujeita a compressão ou tração pode reagir de forma diferente do interior, e o ciclo do forno pode revelar esse desequilíbrio. O alívio de tensões, a normalização, o pré-aquecimento controlado ou uma sequência intermédia de maquinagem podem reduzir o risco, mas nenhum destes processos elimina automaticamente o histórico do material. O aquecimento pode libertar parte da tensão anterior através de recuperação ou escoamento plástico, criando simultaneamente uma nova tensão térmica. Quando a têmpera começa, a peça pode já conter um campo de temperaturas não uniforme, uma microestrutura alterada e um estado de tensão desigual. Estas condições ajudam a determinar se a transformação posterior produzirá uma alteração dimensional inofensiva, um empeno visível ou fissuração. ## 4. Austenitização e Estado Metalúrgico Antes da Têmpera A têmpera não começa com a imersão em óleo, polímero, água ou gás. Começa com a condição metalúrgica criada durante o aquecimento. O tamanho do grão de austenite, a distribuição do carbono, os elementos de liga dissolvidos, a microestrutura prévia, a química da superfície, a uniformidade da temperatura e a temperatura da secção determinam quando começa a transformação e quanta deformação a peça consegue acomodar. Por conseguinte, o estado imediatamente anterior à têmpera controla tanto a sequência de transformação como as tensões que se desenvolvem enquanto a peça arrefece. A ASM International identifica três contribuintes para as tensões residuais do tratamento térmico dos aços: tensões térmicas, de transformação e de endurecimento ([ASM Handbook, “Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels”](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, “Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels”")). Na prática, estas categorias sobrepõem-se. Um gradiente térmico cria uma contração diferencial; um gradiente de transformação acrescenta uma variação volumétrica local; e a incompatibilidade resultante pode provocar deformação plástica. Uma peça pode sair da têmpera com dimensões aceitáveis, mas ainda conter tensão não aliviada suficiente para empenar durante a maquinagem, porque a remoção de material altera o equilíbrio das forças internas, conforme descrito em *Metallurgy of Heat Treatment*, no arquivo de dados sobre materiais do National Institute of Standards and Technology. ### Formação e homogeneização da austenite Como a condição de austenitização afeta o estado antes da têmpera. | Condição de austenitização | Resultado metalúrgico provável | Implicação para a distorção | |---|---|---| | Aquecimento ou manutenção insuficientes | Carbonetos não dissolvidos e variação local do carbono | Transformação e deformação não uniformes | | Aquecimento e manutenção controlados | Condição mais uniforme da austenite | Resposta de arrefecimento mais consistente | | Temperatura excessiva ou exposição prolongada | Coalescimento do grão de austenite | Alteração do momento da transformação e da resposta mecânica | No caso de um aço hipoeutectoide, o aquecimento acima da temperatura crítica superior relevante permite que a ferrite e a pearlite se transformem em austenite. Nos aços eutectoides e hipereutectoides, os constituintes iniciais e a temperatura necessária são diferentes, mas mantém-se a mesma questão prática: a austenite deve formar-se com uma distribuição controlada do carbono e sem crescimento excessivo do grão. A austenitização não consiste simplesmente em atingir o valor de temperatura definido para o forno. A superfície pode atingir a temperatura pretendida enquanto o núcleo continua mais frio, sobretudo numa secção espessa ou numa peça com variações abruptas de espessura. O carbono tem de se dissolver a partir da cementite e de outros carbonetos para estabelecer a composição austenítica disponível para a transformação subsequente. Se o aquecimento for insuficiente ou o tempo de permanência demasiado curto, permanecem carbonetos não dissolvidos e variações locais do teor de carbono. Se o aquecimento for excessivo ou prolongado, os grãos de austenite podem crescer. Ambas as condições alteram o momento da transformação e a resposta mecânica durante a têmpera. A austenite de grão grosseiro permite geralmente que os produtos de transformação se formem em condições diferentes das da austenite de grão fino, enquanto as diferenças locais de composição fazem com que regiões adjacentes possam não iniciar ou concluir a transformação em simultâneo. A homogeneização diz respeito também à temperatura, e não apenas à química. Uma flange, uma raiz de dente, um furo e uma borda fina podem ter histórias térmicas diferentes na mesma carga do forno. Durante a têmpera, a região fina perde normalmente calor mais depressa, enquanto o interior de uma secção pesada permanece quente e continua a contrair-se mais tarde. A revisão de 2022 dos autores de *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels*, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, salienta que a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera interagem entre si. Tratar a têmpera como um único valor de velocidade de arrefecimento oculta os gradientes que geram deformação. A austenite transporta também o historial do material da peça. A segregação resultante da fundição, o escoamento da deformação durante a forjagem, os ciclos térmicos de soldadura, as estruturas bandadas e os tratamentos anteriores de normalização ou endurecimento podem produzir regiões com diferentes tamanhos de grão ou distribuições de carbonetos. Os relatórios da University of Iowa e do U.S. Department of Energy sobre peças fundidas de aço mostram por que razão o historial de produção deve ser considerado na previsão dimensional: as tensões térmicas e residuais resultantes do aquecimento e do arrefecimento podem contribuir para a deformação, a fissuração, o retrabalho, a reparação por soldadura e a redução do desempenho em serviço. ### Química da liga e temperabilidade Temperabilidade **Temperabilidade** Capacidade de uma secção de aço formar martensite até uma profundidade especificada sob uma determinada condição de arrefecimento. O carbono afeta tanto a dureza atingível da martensite como a temperatura e a cinética da transformação. Elementos de liga como o manganês, o crómio, o molibdénio e o níquel alteram geralmente o comportamento da transformação e podem aumentar a temperabilidade, isto é, permitem que uma secção maior forme martensite sob uma determinada condição de arrefecimento do que um aço com menor temperabilidade. Temperabilidade não é o mesmo que dureza. Um tipo de aço pode apresentar elevada temperabilidade, mas necessitar de um determinado teor de carbono e de uma condição específica de têmpera para atingir uma dada dureza. Esta distinção é importante para as tensões. Num tratamento de têmpera integral, a superfície arrefece primeiro e pode transformar-se em martensite enquanto o núcleo permanece austenítico. A superfície tende então a expandir-se durante a transformação martensítica, enquanto o núcleo pode ainda estar a contrair-se termicamente. A transformação posterior do núcleo pode inverter ou reforçar o estado de tensão inicial. A tensão residual final depende da sequência, da restrição, do escoamento plástico e das deformações de transformação, e não apenas da dureza. A química da liga altera essa sequência ao afetar as temperaturas de início da transformação, as velocidades de transformação, a estabilidade dos carbonetos e a velocidade de arrefecimento necessária para suprimir os produtos de transformação por difusão. Pode, por conseguinte, alterar os locais de formação de pearlite, bainite, martensite ou austenite retida no interior de uma secção. A geometria continua a ser importante. O mesmo tipo de aço e o mesmo tratamento térmico nominal podem produzir diferentes padrões de tensão num anel fino, num veio com um ressalto e numa peça fundida pesada, porque a extração de calor e a restrição mecânica são diferentes. Uma têmpera mais severa não é universalmente a melhor forma de reduzir a distorção. Limited evidence A obra da ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* identifica a minimização da deformação e das tensões residuais indesejáveis como critérios primários de conceção do tratamento térmico. Essa decisão de conceção deve ser tomada considerando conjuntamente a temperabilidade do aço e a espessura da secção da peça. O aumento da severidade da têmpera pode promover um endurecimento mais profundo, mas também pode aumentar os gradientes térmicos e a deformação plástica. Uma têmpera mais lenta ou mais uniforme pode reduzir a deformação, deixando, contudo, uma transformação no núcleo diferente do objetivo microestrutural especificado. Não existe uma solução universal baseada numa “têmpera mais intensa”. ### Cementação, nitruração e gradientes de profundidade da camada Os tratamentos superficiais e de camada criam um problema diferente do endurecimento integral, porque o material é deliberadamente não uniforme. Na cementação, o carbono penetra na superfície a temperatura elevada, produzindo um gradiente de concentração de carbono desde a camada superficial em direção ao núcleo. Após a austenitização e a têmpera, a camada e o núcleo podem apresentar diferentes temperaturas de transformação, respostas de temperabilidade, teores de carbono da martensite, frações de austenite retida e deformações de transformação. A profundidade da camada não é, portanto, apenas um perfil de dureza; é também um perfil de deformação e de tensão. O núcleo pode transformar-se mais tarde do que a camada com elevado teor de carbono, e as duas regiões restringem-se mutuamente à medida que contraem e se transformam. A geometria da peça determina se essa interação produz uma tensão compressiva superficial útil, uma tensão de tração indesejada noutra região, flexão, ovalização ou fissuração local. A retificação final pode expor ou redistribuir essas tensões. O *International Journal of Materials and Product Technology* identifica a deformação plástica à microescala, as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e de camada e a retificação final como fatores nas tensões residuais do aço temperado ([Part II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Part II")). A nitruração é diferente, porque o azoto é introduzido num processo ferrítico a temperatura relativamente baixa, formando fases que contêm azoto e nitretos de liga, em vez de depender do mesmo mecanismo de camada cementada e temperada. A sua resposta dimensional pode ser menor do que a de um ciclo severo de cementação e têmpera, mas não é automaticamente neutra do ponto de vista dimensional. A espessura da camada de compostos, a profundidade de difusão, a condição prévia do núcleo, a tensão residual e a geometria local requerem uma avaliação separada. \[3\] \[3\] [**Distortion and Residual Stress**](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf). Worcester Polytechnic Institute report authors. Worcester Polytechnic Institute report, 2021. O tratamento térmico em vácuo também merece uma análise de deformação própria. O vácuo altera as reações superficiais, o risco de descarbonetação, a transferência de calor no forno e a escolha da pressão e do caudal do gás de têmpera; não elimina os gradientes térmicos nem a deformação de transformação. O relatório do Worcester Polytechnic Institute descreve a deformação durante a têmpera como um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fases, tensão, deformação e evolução microestrutural. Esta descrição aplica-se igualmente a peças temperadas integralmente, cementadas, nitruradas e processadas em vácuo. O estado metalúrgico antes do arrefecimento estabelece as condições iniciais; a têmpera limita-se a revelar a forma como essas condições interagem com a geometria e a restrição. ## 5. A Têmpera como Problema Acoplado de Transferência de Calor e Transformação O tratamento térmico é uma sequência na qual o estado metalúrgico inicial, a têmpera e o revenido interagem. A têmpera é frequentemente descrita como uma etapa de arrefecimento rápido que converte a austenite em martensite. Essa descrição é incompleta. Uma peça de aço não arrefece a uma velocidade uniforme e não se transforma em todos os pontos à mesma temperatura ou no mesmo instante. As suas dimensões finais e o padrão de tensões residuais desenvolvem-se através da interação entre a transferência de calor, a transformação de fases, a restrição elástica, o escoamento plástico, a geometria, a espessura da secção, o historial do material e as condições locais do meio de têmpera. A revisão de 2022, “Tensões Residuais e Distorção durante o Endurecimento por Têmpera dos Aços”, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, trata estas variáveis como um sistema interativo, e não como definições de processo independentes. A mesma conclusão surge no relatório do Worcester Polytechnic Institute, *Distorção e Tensão Residual*: a distorção durante a têmpera estabelece um acoplamento entre a transferência de calor, a transformação de fases, a tensão, a deformação e a evolução microestrutural. Isto é importante porque a alteração de uma variável pode melhorar uma parte do processo e, simultaneamente, agravar outra. ### Diferenças de arrefecimento entre a superfície e o núcleo Quando um componente de aço quente entra no meio de têmpera, a superfície perde calor primeiro. O calor flui então do núcleo, mais quente, para a superfície, mais fria, pelo que o campo de temperaturas se altera continuamente ao longo da secção. Uma aresta fina pode aproximar-se da temperatura do meio de têmpera enquanto o centro de uma engrenagem, de um veio, de uma matriz ou de uma peça fundida espessa permanece austenítico. Quanto maior for a espessura da secção, mais tempo persiste esta separação. A diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo produz deformação térmica. A superfície mais fria tenta contrair-se, enquanto o interior mais quente resiste a essa contração. A temperaturas elevadas, o aço apresenta uma resistência ao escoamento relativamente baixa, pelo que parte da incompatibilidade pode ser acomodada por deformação plástica. À medida que a temperatura diminui, o material torna-se menos capaz de escoar e as tensões podem ficar retidas na peça. A deformação resultante pode ser visível sob a forma de arqueamento, ovalização, torção ou alteração do diâmetro de um furo; as tensões residuais podem permanecer mesmo quando as dimensões medidas parecem aceitáveis. A transformação acrescenta uma segunda deformação dependente do tempo. Num aço de carbono simples ou de baixa liga, a superfície pode transformar-se de austenite em martensite enquanto o núcleo continua a ser constituído por austenite quente. A transformação martensítica provoca geralmente uma expansão, ao passo que o arrefecimento da austenite não transformada produz contração térmica. A superfície, que se expande inicialmente, fica restringida pelo núcleo. Mais tarde, quando o núcleo se transforma, a sua expansão fica restringida pela região exterior, já transformada e mais fria. Dependendo do tipo de aço, do percurso de arrefecimento e da temperatura à qual cada região se transforma, o estado de tensão pode mudar de sinal durante a têmpera. Pode formar-se bainite ou perlite em vez de martensite se uma região arrefecer demasiado lentamente ou se o aço não tiver temperabilidade suficiente. As suas deformações de transformação e propriedades mecânicas diferem das da martensite. A austenite retida pode acrescentar outra alteração dimensional durante o arrefecimento subsequente, o revenido, o serviço ou a retificação. Assim, duas localizações com a mesma dureza final podem ainda apresentar tensões residuais diferentes se tiverem seguido percursos térmicos e de transformação distintos. A revisão do *International Journal of Materials and Product Technology* identifica os gradientes térmicos não uniformes como uma fonte principal de distorção durante a têmpera. Esta afirmação não deve ser reduzida a “a superfície arrefece mais depressa”. A questão importante é o gradiente em evolução e a restrição mecânica que lhe está associada. A geometria controla ambos. Uma aresta viva tem uma área superficial por unidade de volume superior à de uma nervura central, enquanto um furo cego, uma ranhura de chaveta, um flange fino ou uma superfície interrompida alteram o acesso local do fluido e o fluxo de calor. Uma camada cementada num aço de baixo carbono, como um componente cementado em SAE 8620, também se transforma de forma diferente do seu núcleo com menor teor de carbono. Uma secção de AISI 4140 endurecida em toda a espessura apresenta um problema térmico e de transformação diferente do dessa peça endurecida superficialmente. ### Intensidade e uniformidade da têmpera Os nomes dos meios de têmpera não definem, por si só, o historial de arrefecimento. | Tipo de meio de têmpera | Característica geral do processo | Principal preocupação de controlo | |---|---|---| | Água | Extração rápida de calor | Gradientes acentuados e choque térmico | | Solução polimérica | O comportamento de arrefecimento varia com a concentração e a agitação | Uniformidade da concentração e do escoamento | | Óleo | Arrefecimento geralmente mais lento | Temperatura, viscosidade e circulação | | Gás | Menor severidade com escoamento direcional controlado | Pressão, velocidade e exposição | | Sal fundido | Resposta térmica faseada ou controlada | Condição do banho e momento da transferência | A intensidade da têmpera descreve a capacidade de um sistema de arrefecimento para remover calor do aço. A análise de Grossmann exprime a intensidade do arrefecimento através do parâmetro *H*, mas *H* não é uma constante universal do material. Depende do meio de têmpera, da temperatura, da agitação, do estado da superfície, da orientação da peça e da relação entre o fluido e a superfície do componente. Uma têmpera em água, numa solução polimérica, em óleo, em gás ou em sal fundido pode produzir curvas de arrefecimento muito diferentes, e o mesmo meio de têmpera nominal pode comportar-se de forma diferente em tanques distintos. #### Advertência relativa à têmpera Selecione a severidade da têmpera em função da temperabilidade do aço, da espessura da secção, da geometria e da microestrutura necessária. Um arrefecimento mais rápido pode melhorar o endurecimento do núcleo, aumentando simultaneamente os gradientes e o risco de fissuração. Uma maior intensidade aumenta a velocidade de arrefecimento e pode promover a formação de martensite no núcleo de uma secção temperável. Pode também aumentar a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo, especialmente quando o acesso do fluido é desigual. Isso pode elevar a tensão térmica e a distorção. No entanto, uma têmpera mais lenta não é automaticamente mais segura: o arrefecimento lento pode permitir a formação de perlite ou bainite em algumas regiões, prolongar o período durante o qual existem diferenças de temperatura e produzir incompatibilidades de transformação entre secções adjacentes. Não existe uma regra universal segundo a qual uma têmpera mais intensa aumente sempre ou reduza sempre a distorção. A questão relevante é saber como toda a curva de arrefecimento interage com o aço e com a peça. Uma liga de elevada temperabilidade pode atingir a transformação necessária do núcleo com uma têmpera moderada, enquanto um aço de menor temperabilidade pode exigir um arrefecimento mais rápido. Uma têmpera intensa pode reduzir a distorção numa geometria ao encurtar o tempo disponível para o arrefecimento diferencial, mas aumentá-la noutra ao impor um gradiente instantâneo maior ou ao provocar uma ebulição não uniforme. A revisão de 2022 do *Journal of Materials Engineering and Performance* relaciona especificamente a distorção e as tensões residuais com a interação entre a seleção do meio de têmpera, a intensidade da têmpera, a geometria, a espessura da secção, a transferência de calor e a transformação de fases. A uniformidade é, portanto, tão importante como a intensidade nominal. Se um dos lados de uma placa receber um movimento intenso do fluido e o lado oposto se encontrar numa zona estagnada, os dois lados podem transformar-se em momentos diferentes. Um veio comprido pode desenvolver velocidades de arrefecimento diferentes ao longo do seu comprimento devido ao escoamento no tanque, aos dispositivos de fixação, aos efeitos de extremidade ou à variação da área exposta. As peças colocadas demasiado próximas podem proteger-se umas às outras. Cestos, suportes, máscaras e pontos de contacto podem criar diferenças locais na transferência de calor suficientemente grandes para alterar a dureza e a forma. \[4\] \[4\] [**Metallurgy of Heat Treatment**](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf). Authors of Metallurgy of Heat Treatment. National Institute of Standards and Technology materials-data archive. A tensão residual não é sinónimo de distorção. Uma peça pode conservar uma tensão autoequilibrada substancial, com pouca alteração dimensional imediata, enquanto outra pode deformar-se visivelmente porque um desequilíbrio de tensão menor produz escoamento plástico. A distinção torna-se importante durante a maquinagem. *Metallurgy of Heat Treatment*, arquivado pelo National Institute of Standards and Technology, refere que as tensões de têmpera não aliviadas podem provocar empeno quando a remoção de material perturba o equilíbrio de tensões original. Uma peça direita após a têmpera não está necessariamente isenta de tensões. ### Temperatura, movimento e comportamento de ebulição do meio de têmpera Um meio de têmpera remove calor através de várias etapas, e essas etapas são fortemente afetadas pela temperatura e pelo movimento do fluido. Em água ou óleo, uma superfície de aço quente pode inicialmente gerar uma película de vapor. Esta etapa de ebulição em película isola a superfície e pode arrefecê-la com menor eficácia do que o esperado. Quando a camada de vapor colapsa, a ebulição nucleada pode remover calor muito mais rapidamente. A temperaturas superficiais mais baixas, a ebulição diminui e a convecção torna-se o principal mecanismo de arrefecimento. A película de vapor raramente é uniforme em torno de um componente real. Pode persistir numa superfície orientada para cima, colapsar junto de uma aresta ou romper-se de forma irregular em torno de um canto. Essas diferenças locais produzem um arrefecimento desigual. Esta é uma das razões pelas quais a agitação pode reduzir a distorção, embora frequentemente aumente a intensidade média do arrefecimento: o movimento fragmenta as películas de vapor e melhora a uniformidade. Contudo, um movimento excessivo ou mal orientado pode criar campos de escoamento locais diferentes e intensificar o arrefecimento numa face mais do que noutra. A temperatura do meio de têmpera altera a viscosidade, o comportamento de ebulição, a capacidade térmica e a estabilidade da película de vapor. A água fria pode proporcionar uma extração rápida de calor, mas também gerar gradientes acentuados e um choque térmico elevado. O óleo mais quente arrefece normalmente mais lentamente, enquanto a concentração de polímero altera tanto a velocidade de arrefecimento como a transição entre a ebulição e a convecção. A têmpera em gás é menos intensa, mas pode proporcionar um escoamento controlado e direcional no tratamento térmico em vácuo. A comparação correta deve basear-se em curvas de arrefecimento medidas em posições relevantes, e não apenas no nome do meio de têmpera. O projeto do tanque e o movimento da peça também são importantes. A rotação pode uniformizar o arrefecimento circunferencial de uma peça cilíndrica, mas uma velocidade de rotação inadequada pode alterar a remoção do vapor sem corrigir as diferenças axiais. Um componente introduzido num tanque a uma velocidade controlada pode apresentar um historial térmico diferente do de outro imerso de uma só vez. Deve ser considerado o acesso local do fluido em torno de furos, dentes, reentrâncias e dispositivos de fixação em contacto. A ASM International identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes distintos nos aços temperados e revenidos, e as suas orientações para o projeto de tratamentos térmicos designam a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios primordiais de projeto. O cumprimento desses critérios exige o controlo de toda a sequência de têmpera: o campo de temperaturas entre a superfície e o núcleo, o momento e a extensão da transformação, a resposta de tensão e de deformação plástica e a uniformidade espacial da remoção de calor. A têmpera não corresponde a uma única velocidade de arrefecimento. É uma condição-limite térmica e metalúrgica móvel aplicada a um sólido restringido e em transformação. ## 6. Transformações de Fase e Deformação Induzida pela Transformação O aço não arrefece como um sólido elástico uniforme. Durante a têmpera, a superfície pode atravessar um intervalo de transformação enquanto o núcleo permanece austenítico; mais tarde, o núcleo transforma-se sob um estado de tensão diferente e a uma velocidade de arrefecimento diferente. Cada região segue, portanto, o seu próprio percurso térmico e metalúrgico. As dimensões resultantes são determinadas pelos efeitos combinados da contração térmica, da deformação associada à transformação de fase, da tensão elástica, do escoamento plástico, da geometria e das restrições. A ASM International separa a tensão residual do tratamento térmico em contribuições térmicas, de transformação e de endurecimento. Estas categorias ajudam a descrever os mecanismos, mas não são independentes num componente real. Um gradiente de temperatura gera tensão; essa tensão altera a deformação que acompanha a transformação; a região transformada altera o seu volume e a sua rigidez, redistribuindo então a tensão para o material adjacente. A revisão de 2022 dos autores de *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review*, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, trata, consequentemente, a transferência de calor, a transformação de fase, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera como variáveis interativas, e não como fatores de correção separados. ### Início e fim da transformação ao longo da secção Para a austenite que se transforma durante o arrefecimento, as temperaturas importantes não são valores únicos para toda a peça. São eventos locais. A perlite começa a formar-se à temperatura local de início da perlite e termina a uma temperatura inferior; a bainite começa à temperatura de início da bainite, habitualmente designada por Bs, e termina próximo de Bf. A martensite começa a formar-se a Ms e progride à medida que a temperatura desce em direção à temperatura de fim da martensite, Mf. A composição da liga, o tamanho do grão de austenite, o teor de carbono, o processamento anterior e a velocidade de arrefecimento deslocam estas temperaturas e alteram a fração formada. A superfície de uma secção fina pode atingir Ms enquanto o centro de uma secção espessa ainda se encontra acima do intervalo da bainite ou da perlite. Num componente de AISI 4140 temperado, por exemplo, a camada exterior pode formar martensite primeiro, adquirindo deformação de transformação enquanto o núcleo quente ainda sofre contração térmica e permanece relativamente deformável. Quando o núcleo se transforma mais tarde, fica restringido pela camada endurecida. O mesmo aço nominal pode, portanto, conter martensite à superfície, bainite ou perlite no interior arrefecido mais lentamente e tensões residuais diferentes ao longo da transição. Os diagramas de transformação mostram esta competição em função do tempo e da temperatura, e não simplesmente em função da temperatura. Um percurso de transformação em arrefecimento contínuo pode evitar a formação de perlite e bainite se o arrefecimento for suficientemente rápido, mas a espessura da secção e a extração de calor determinam se essa condição se aplica em toda a peça. A agitação, a temperatura do meio de têmpera, a formação de uma película de vapor, a orientação da peça e a geometria local alteram o percurso de arrefecimento. Cantos vivos, furos, nervuras finas e ressaltos espessos não arrefecem em conjunto. O “início da transformação” assinala também o início de um processo produtor de deformação, e não apenas uma alteração visível numa micrografia. Antes da transformação, a região austenítica pode suportar tensão térmica de forma elástica e plástica. Quando começam a formar-se ferrite, cementite, bainite ou martensite, alteram-se o módulo local, a tensão de cedência, a densidade e o comportamento de expansão térmica. O fim da transformação não significa que todo o movimento dimensional ou a evolução da tensão tenham terminado: a temperatura pode continuar a variar, a redistribuição do carbono pode prosseguir em alguns produtos e pode permanecer austenite não transformada. ### Alteração de volume e plasticidade de transformação A densidade das fases resultantes difere da da austenite, pelo que a transformação altera o volume. O sinal e a magnitude dependem da composição e do produto formado. A martensite apresenta normalmente um volume específico superior ao da austenite de origem, sobretudo à medida que aumenta o teor de carbono, enquanto a contração térmica atua no sentido oposto durante o arrefecimento. A bainite e a perlite também produzem deformações de transformação, embora a sua morfologia, partição do carbono e temperatura de transformação sejam diferentes das da martensite. O resultado dimensional importante não é um único valor de expansão livre. Um pequeno provete que se transforma uniformemente pode alterar o seu tamanho sem se dobrar. Um componente real transforma-se progressivamente ao longo da sua secção, pelo que uma camada restringe outra. Se a deformação de transformação local exceder a capacidade disponível de acomodação elástica, ocorre deformação plástica. O componente pode então conservar deformação após regressar à temperatura ambiente, mesmo quando a alteração média final do volume parece moderada. Plasticidade de transformação **Plasticidade de transformação** Deformação plástica auxiliada por uma transformação de fase sob tensão aplicada ou gerada internamente. A plasticidade de transformação é a deformação plástica adicional produzida quando ocorre uma transformação de fase enquanto o material está sujeito a uma tensão aplicada ou interna. Não é necessário que a tensão seja suficientemente elevada para causar escoamento plástico convencional na austenite não transformada. A transformação altera a resposta do material à deformação, e a tensão influencia a direção ou a magnitude da deformação resultante. Assim, um anel, uma placa ou um dente de engrenagem pode dobrar, torcer-se ou alterar o diâmetro enquanto uma frente de transformação o atravessa. Este mecanismo explica por que razão a tensão residual e a distorção estão associadas, mas não são idênticas. A tensão residual é um campo de tensões autoequilibrado que permanece após o arrefecimento e a descarga; a distorção é uma alteração permanente da forma ou das dimensões. Pode existir tensão com pouca distorção visível se a geometria e as regiões opostas a equilibrarem. Inversamente, a plasticidade de transformação pode converter um campo de tensões internas não uniforme em empeno. O relatório do *Worcester Polytechnic Institute* descreve a distorção de têmpera como um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fase, tensão, deformação e evolução microestrutural, o que constitui uma descrição mais rigorosa do que tratar a distorção apenas como um problema do meio de têmpera. ### Martensite, bainite, perlite e austenite retida A martensite é frequentemente a maior fonte individual de deformação de têmpera no aço endurecido. Forma-se através de uma transformação por cisalhamento sem difusão, pelo que o carbono permanece retido numa estrutura tetragonal de corpo centrado sobressaturada, em vez de se repartir lentamente entre a ferrite e a cementite. A sua formação produz um aumento rápido do volume e uma deformação de forma. Como a martensite se forma ao longo de um intervalo de temperaturas e não num único instante, diferentes partes de um componente podem transformar-se sob diferentes condições de restrição. Uma camada superficial martensítica dura em torno de um núcleo mais macio é especialmente suscetível à redistribuição de tensões. A bainite forma-se a temperaturas inferiores ao intervalo da perlite e superiores ao intervalo de início da martensite, embora os intervalos exatos dependam da composição química da liga e do historial de arrefecimento. A bainite superior e a bainite inferior apresentam morfologias e comportamentos de deformação diferentes. A transformação bainítica pode produzir uma alteração dimensional significativa, particularmente quando ocorre de forma não uniforme em secções espessas ou complexas. Pode reduzir a fração de martensite e alterar o padrão final de tensões, mas não elimina a distorção de transformação. A perlite forma-se através do crescimento cooperativo de ferrite e cementite a temperaturas de transformação comparativamente mais elevadas. A sua deformação de transformação é geralmente acomodada ao longo de um período mais prolongado do que a formação de martensite, permitindo um maior relaxamento térmico e plástico. Isto não torna a perlite dimensionalmente irrelevante. Um núcleo arrefecido lentamente que forme perlite enquanto a superfície já se encontra endurecida pode impor restrições à camada superficial, e a tensão resultante pode ser posteriormente libertada durante a maquinagem. Austenite retida **Austenite retida** Austenite que permanece não transformada após o arrefecimento e que pode transformar-se posteriormente durante o revenido, em serviço, na retificação ou durante o armazenamento. A austenite retida é a austenite que permanece abaixo da temperatura ambiente porque a temperatura local Mf não é atingida ou porque o carbono e os elementos de liga a estabilizam. Os aços de elevado teor de carbono, as camadas cementadas e os aços fortemente ligados podem reter quantidades significativas. A sua presença altera tanto as dimensões imediatas como a estabilidade dimensional posterior. Durante o serviço, o revenido, o tratamento subzero, a retificação ou um carregamento subsequente, a austenite retida pode transformar-se em martensite ou noutro produto. Essa transformação posterior pode aumentar o volume e alterar a forma depois de concluído o tratamento térmico nominal. Esta alteração retardada é uma das razões pelas quais a inspeção dimensional nem sempre pode limitar-se à saída do forno. Um componente pode cumprir a medição inicial e, ainda assim, deformar-se durante o revenido ou a retificação de acabamento. A obra *Metallurgy of Heat Treatment*, do NIST, observa que as tensões de têmpera não aliviadas podem causar empeno durante a maquinagem quando a remoção de material perturba o equilíbrio das tensões residuais. As orientações da ASM para a conceção de tratamentos térmicos identificam, por isso, a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios fundamentais de conceção. As frações de fase, as temperaturas de transformação e a austenite retida devem ser consideradas em conjunto com a espessura da secção e a uniformidade da têmpera, e não acrescentadas posteriormente como correções. ## 7. Geometria, Espessura da Secção e Conceção dos Componentes A geometria determina a rapidez com que o calor entra e sai de um componente de aço, o local onde a transformação se inicia e o grau em que cada região pode expandir ou contrair sem restrições. A mesma têmpera aplicada a um veio de AISI 4140 e a uma placa de AISI 4140 com nervuras, ressaltos e furos cegos não produzirá o mesmo padrão de tensões. O tipo de aço, a temperabilidade, a microestrutura inicial, a velocidade de aquecimento, a prática de austenitização e o meio de têmpera continuam a ser importantes, mas a forma da secção determina como essas variáveis se distribuem ao longo da peça. A ASM International identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes distintos nos aços temperados e revenidos. Na realidade, não permanecem separadas num componente real. Uma diferença de temperatura cria uma deformação térmica; uma diferença de transformação acrescenta uma deformação de transformação; o material circundante restringe ambas, produzindo tensão elástica e, quando a tensão local excede a resistência ao escoamento, deformação plástica. Por isso, a revisão de 2022 publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance* considera a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera como fatores interativos, e não como variáveis independentes. ![Diagrama de um cubo e de uma alma de aço mostrando diferentes velocidades de arrefecimento numa transição entre uma secção espessa e uma secção fina](/images/uploads/425cfc88-60d7-4be9-871c-da11bb2a3a2c/wiki-inline-a-steel-component-with-a-thick-hub-thin-web-and-filleted-transition-showing-diff-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/425cfc88-60d7-4be9-871c-da11bb2a3a2c/wiki-inline-a-steel-component-with-a-thick-hub-thin-web-and-filleted-transition-showing-diff-1920x1288.avif "Ampliar imagem — Diagrama de um cubo e de uma alma de aço mostrando diferentes velocidades de arrefecimento numa transição entre uma secção espessa e uma secção fina")Section changes alter heat flow, transformation timing, and local restraint. ### Transições entre secções espessas e finas e massa térmica Uma região espessa contém mais massa térmica por unidade de área superficial do que uma região fina. Durante o aquecimento, a secção fina pode atingir primeiro a temperatura de austenitização, enquanto o núcleo da secção espessa permanece mais frio. Durante a têmpera, a sequência inverte-se de outra forma: a região fina perde calor rapidamente, enquanto a região espessa retém calor e pode continuar a transformar-se depois de a região fina já ter endurecido. Consequentemente, as suas histórias térmicas, os tempos de transformação, as frações de martensite e as variações volumétricas locais podem ser diferentes. Um ressalto abrupto entre um ressalto de 40 mm e uma alma de 10 mm constitui uma zona clássica de restrição. A alma pode contrair-se enquanto o ressalto ainda está quente e dimensionalmente expandido. Mais tarde, o ressalto contrai-se e pode puxar a alma para uma forma diferente. Se a região mais espessa se transformar mais tarde, a sua expansão ou contração pode alterar o estado de tensão estabelecido durante a primeira fase do arrefecimento. O resultado pode ser escoamento local, uma concentração de tensões residuais ou uma alteração dimensional que não é prevista por uma simples compensação para a contração uniforme provocada pela têmpera. A conceção deve privilegiar transições graduais: raios de concordância generosos, almas cónicas, ressaltos suavizados e espessuras de parede tão uniformes quanto possível. Uma alteração gradual não elimina os gradientes térmicos, mas distribui-os por uma distância maior e reduz a restrição acentuada imposta numa única fronteira de secção. Quando não for possível evitar uma secção pesada, o desenho deve identificar a transição como uma característica de tratamento térmico, e não apenas como um pormenor de maquinagem. Assim, as simulações de aquecimento e têmpera podem analisar a história local de temperatura e de transformação de fases, em vez de tratarem o componente como um bloco uniforme. O mesmo princípio aplica-se a peças cementadas, nitretadas e endurecidas por indução. Uma camada endurecida sobre um núcleo macio ou de arrefecimento lento cria outro desajuste relacionado com a espessura. O endurecimento superficial e o endurecimento da camada alteram a localização e a magnitude das tensões residuais, conforme discutido nas Partes I e II do estudo publicado no *International Journal of Materials and Product Technology*. A retificação final também pode libertar ou redistribuir essas tensões. O arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology, em *Metallurgy of Heat Treatment*, observa que as tensões de têmpera não aliviadas podem causar empeno durante a maquinagem, porque a remoção de material altera o equilíbrio das tensões residuais. Por conseguinte, os projetistas devem deixar sobremetal de maquinagem tendo em conta as restrições, apoiar as regiões finas durante o tratamento sempre que seja viável e especificar um alívio de tensões intermédio ou um revenido quando a sequência do processo assim o exigir. O sobremetal não constitui uma garantia contra o movimento. Permite simplesmente uma correção controlada após as principais operações geradoras de tensões. ### Simetria, desequilíbrio e modos de empeno Uma peça geometricamente simétrica tende a desenvolver deformações térmicas e de transformação mais equilibradas. A simetria não garante distorção nula, porque o escoamento da têmpera, a fixação, o carregamento e o historial do material podem quebrar esse equilíbrio. No entanto, elimina uma fonte importante de restrição desigual. Um componente assimétrico arrefece a velocidades diferentes em lados opostos, e um dos lados pode transformar-se mais cedo ou atingir uma condição diferente de martensite, bainite ou austenite retida. A deformação desigual produz flexão ou torção. Uma placa plana com uma única nervura pesada pode arquear na direção da nervura ou na direção oposta, à medida que os dois lados passam por histórias de contração diferentes. Um veio com uma chaveta excêntrica pode fletir ou torcer-se, porque o lado com a chaveta tem menos massa e uma área de arrefecimento diferente. Um anel com espessura de parede desigual pode tornar-se oval em vez de permanecer circular. Se as diferenças térmicas e de transformação variarem ao longo do comprimento, o anel ou o veio também pode adquirir conicidade. Estes são modos típicos, não resultados universais: a direção e a magnitude dependem do tipo de aço, da temperabilidade, das dimensões da secção, da severidade da têmpera, da agitação, da orientação e da restrição. #### Modos de distorção - **Arqueamento** Curvatura ao longo do eixo de uma placa, barra ou eixo. - **Torção** Rotação angular ao longo do comprimento. - **Ovalização** Perda da circularidade em anéis e peças cilíndricas. - **Conicidade** Alteração progressiva da dimensão ao longo de um comprimento. - **Crescimento ou contração** Alteração dimensional resultante da transformação, da contração térmica ou da libertação de tensões. As alterações dimensionais comuns apresentam expressões geométricas distintas: - **Empeno** é a curvatura ao longo do eixo de uma placa, barra ou veio, frequentemente associada a uma deformação desigual entre faces opostas. - **Torção** é a rotação angular ao longo do comprimento, geralmente favorecida por nervuras, chavetas, ranhuras assimétricas ou por um acesso desigual do meio de têmpera. - **Ovalização** é a perda de circularidade em anéis e peças cilíndricas quando o arrefecimento ou a transformação ao longo da circunferência são desiguais. - **Conicidade** é uma alteração progressiva da dimensão ao longo de um comprimento, causada pela variação da secção, do fluxo térmico ou da história de transformação. - **Crescimento** pode acompanhar a transformação ou o comportamento da austenite retida, enquanto a **contração** pode resultar da contração térmica, da deformação de transformação e da libertação de tensões durante a maquinagem. Estes modos podem combinar-se. Uma engrenagem temperada pode crescer numa direção de medição, tornar-se ligeiramente oval e desenvolver desvio axial. Descrever a peça como apresentando “distorção de têmpera” é menos útil do que identificar o modo medido e relacioná-lo com a geometria que criou a restrição desigual. A obra da ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* coloca a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis entre os principais critérios de conceção para o tratamento térmico. Esse princípio favorece secções transversais equilibradas, elementos centrados, apoio uniforme e um acesso do meio de têmpera semelhante em torno do componente. Também apoia a conceção das superfícies de referência e dos pontos de inspeção em função do modo de distorção previsto, em vez de se presumir que todas as dimensões se alterarão na mesma medida. ### Furos, arestas, cantos e alterações bruscas de secção Um furo não é um pormenor vazio do ponto de vista da transferência de calor. A sua superfície interna pode arrefecer a partir de uma direção diferente da superfície exterior, enquanto o material que rodeia um furo pequeno pode ter pouca massa térmica. Um furo passante também pode permitir a entrada do meio de têmpera e criar diferenças locais de escoamento. Os furos cegos comportam-se de forma diferente, porque as suas extremidades podem reter calor e restringir o movimento do fluido. Furos muito próximos deixam nervuras finas que arrefecem e se transformam rapidamente, enquanto a zona de material circundante permanece mais quente e mais restringida. O tamanho, o espaçamento, a profundidade e a orientação dos furos devem, por conseguinte, ser considerados durante a conceção do tratamento térmico. Quando a precisão dimensional for crítica, deve evitar-se colocar um furo pequeno junto de um ressalto pesado ou de um ombro interno aguçado, salvo se as tensões e a distorção locais resultantes tiverem sido avaliadas. Um padrão de furos deve ser disposto de forma tão simétrica quanto a função o permita. Nos componentes cementados ou nitretados, a profundidade especificada da camada e o núcleo não transformado acrescentam outra interação entre a geometria e as tensões residuais. As arestas e os cantos têm uma elevada relação entre área superficial e volume e, frequentemente, arrefecem mais cedo do que as faces amplas. Um canto exterior aguçado pode desenvolver um gradiente de temperatura acentuado entre a aresta e o interior. Um canto interior pode reter calor, restringir o escoamento do meio de têmpera e concentrar tensões em simultâneo. Consequentemente, o canto pode transformar-se num momento diferente de qualquer uma das faces adjacentes. As arestas aguçadas também dispõem de menos material para distribuir a deformação, tornando mais provável a deformação plástica local e a fissuração durante uma têmpera severa. Raios generosos e chanfros reduzem tanto a descontinuidade térmica como a concentração de tensões mecânicas. Devem ser dimensionados tendo em conta os requisitos de maquinagem, fadiga, revestimento e endurecimento; um raio adequado para a maquinagem pode ainda ser demasiado pequeno para uma têmpera severa. O *International Journal of Materials and Product Technology* identifica os gradientes térmicos não uniformes como uma fonte principal de distorção de têmpera, enquanto o Worcester Polytechnic Institute descreve o fenómeno como uma combinação de transferência de calor, transformação de fases, tensão, deformação e alteração microestrutural. A conceção do componente não pode separar esses acontecimentos. Pode, contudo, tornar menos extrema a sua interação. O U.S. Department of Energy e a University of Iowa relacionam igualmente as tensões térmicas e residuais em peças fundidas de aço com distorção, fissuração, retrabalho, reparação por soldadura, erros dimensionais e redução do desempenho em serviço. O historial de fundição, incluindo os ciclos térmicos anteriores e as condições locais de solidificação, deve ser incluído quando se preveem as dimensões finais e as tensões residuais. ## 8. Perfis de Tensões Residuais Após a Têmpera A têmpera não deixa uma peça de aço com um único valor de tensão residual. Deixa um campo tridimensional de tensões que varia da superfície até ao núcleo, em torno dos cantos, ao longo das alterações de espessura da secção e nas proximidades de furos, rasgos de chaveta, concordâncias e superfícies interrompidas. O perfil final resulta da competição entre a contração térmica, a deformação de transformação de fase, a restrição elástica e o escoamento plástico local. A ASM International separa estas contribuições em tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento, embora os mecanismos interajam durante o mesmo ciclo de aquecimento e arrefecimento ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")). As tensões residuais e a distorção estão relacionadas, mas não são idênticas. Uma peça pode conservar tensões substanciais e, simultaneamente, apresentar pouca alteração dimensional, porque as deformações opostas se equilibram. Inversamente, um campo de tensões moderado pode produzir empeno percetível quando a maquinagem, a retificação ou as cargas de serviço removem a restrição que mantinha estável a forma original. ![Perfil esquemático das tensões residuais ao longo de um cilindro de aço temperado](/images/uploads/3ca82320-70c1-4785-85e8-c62d27fd7b64/wiki-inline-a-quenched-steel-cylinder-with-a-through-section-residual-stress-profile-showing-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/3ca82320-70c1-4785-85e8-c62d27fd7b64/wiki-inline-a-quenched-steel-cylinder-with-a-through-section-residual-stress-profile-showing-1920x1094.avif "Ampliar imagem — Perfil esquemático das tensões residuais ao longo de um cilindro de aço temperado")A quenched section can contain balancing compressive and tensile regions from surface to core. ### Padrões de tensões na superfície e no núcleo Os sinais das tensões residuais dependem da sequência, não simplesmente da palavra têmpera. | Sequência de arrefecimento e transformação | Possível padrão final de tensões | Variáveis importantes | |---|---|---| | A superfície contrai primeiro; o núcleo permanece quente | Pode desenvolver-se precocemente tensão de tração na superfície | Gradiente de arrefecimento e cedência a alta temperatura | | O núcleo contrai ou transforma-se mais tarde | Podem permanecer compressão na superfície e tração no núcleo | Momento da transformação e restrição | | Arrefecimento desigual em torno de uma característica | Regiões locais mistas de tração e compressão | Geometria, acesso do fluido e espessura da secção | O padrão familiar de uma superfície de aço temperado sob compressão e de um núcleo sob tração é comum, mas não constitui uma regra universal. Durante a fase inicial da têmpera, a superfície arrefece e contrai-se, enquanto o interior, mais quente, restringe essa contração. A superfície pode, por isso, entrar em tensão de tração, por vezes acima do seu limite de elasticidade, enquanto o núcleo fica sob compressão. À medida que o arrefecimento prossegue, o núcleo contrai-se e pode transformar-se depois de a superfície já ter arrefecido substancialmente. O padrão de tensões pode então inverter-se, deixando uma superfície sob compressão e um interior sob tração. A transformação martensítica torna esta sequência mais complexa. A austenite expande-se ao transformar-se em martensite, sendo a amplitude da expansão dependente do teor de carbono, da composição da liga, da temperatura de transformação e da fração transformada. Se a superfície se transformar primeiro, a sua expansão é restringida pelo material mais frio ou ainda austenítico situado abaixo dela. Se o núcleo se transformar posteriormente, a sua expansão pode alterar o estado de tensão já estabelecido na superfície. A bainite, a perlite, a martensite e a austenite retida contribuem, cada uma, com diferentes deformações de transformação. Assim, uma superfície que arrefeça suficientemente depressa para formar martensite pode apresentar um perfil de tensões diferente do de um núcleo que forme bainite ou uma estrutura mista. A localização da tensão de tração é importante, porque a tração superficial está fortemente associada à iniciação de fissuras, enquanto a tensão de compressão superficial pode retardar a abertura de fissuras de fadiga. No entanto, uma região sob tração pode situar-se abaixo de uma camada superficial sob compressão, e uma medição à superfície não a revelará. A difração de raios X normalmente analisa apenas um volume pouco profundo próximo da superfície; o resultado descreve essa camada, não o componente completo. A difração de neutrões, os métodos de radiação sincrotrónica, o seccionamento, o método do furo e os perfis modelados podem fornecer informação a maior profundidade, mas cada método tem a sua própria resolução e os seus próprios pressupostos. A geometria altera o padrão. Uma alma fina pode arrefecer e transformar-se praticamente ao longo de toda a sua espessura, enquanto um cubo espesso, uma raiz de dente ou uma flange conservam um interior quente durante mais tempo. Os cantos e as arestas perdem calor através de mais do que uma superfície e podem transformar-se mais cedo do que o material adjacente. Uma transição brusca na espessura da secção pode, por isso, concentrar tanto os gradientes térmicos como a incompatibilidade de transformação. A discussão de 2005 na *International Journal of Materials and Product Technology* identifica os gradientes térmicos não uniformes como uma fonte principal de distorção durante a têmpera ([Parte I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "Parte I")). A temperatura do meio de têmpera, a agitação, a viscosidade, o comportamento de molhagem e o escoamento local determinam a rapidez com que o calor abandona cada superfície. Óleo, água, solução polimérica, sal fundido e gás produzem históricos de transferência de calor diferentes. Mesmo dentro de um único tanque, uma superfície obstruída pode arrefecer mais lentamente do que uma superfície exposta. A revisão de 2022 publicada na *Journal of Materials Engineering and Performance* considera, consequentemente, a transferência de calor, a transformação de fase, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera como variáveis interativas, e não como controlos independentes ([revisão de 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "revisão de 2022")). ### Autoequilíbrio e redistribuição das tensões Um componente livre não pode conservar uma força ou um momento resultante desequilibrado após o arrefecimento. As tensões residuais têm de satisfazer o autoequilíbrio em toda a peça: as regiões sob tração e sob compressão equilibram-se em termos de força, e a sua distribuição também equilibra os momentos fletores. Isto não significa que todas as tensões locais sejam pequenas. Significa que uma camada altamente tracionada exige uma compressão compensatória noutro local, ou que o campo tridimensional completo inclui tensões de equilíbrio noutra direção. A remoção de material altera esse equilíbrio. O texto *Metallurgy of Heat Treatment*, arquivado pelo National Institute of Standards and Technology, afirma que as tensões de têmpera não aliviadas podem causar empeno durante a maquinagem, porque a remoção de material perturba o equilíbrio das tensões residuais ([arquivo de dados de materiais do NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "arquivo de dados de materiais do NIST")). Um anel pode abrir-se após a mandrilagem; uma placa pode arquear depois de ser fresada numa das faces; uma engrenagem endurecida pode deslocar-se durante a retificação final. Estas não são tensões novas criadas apenas pela máquina. São a consequência visível da libertação de um campo já existente. A deformação plástica à microescala é fundamental para esta redistribuição. Os grãos e os pacotes não se transformam todos ao mesmo tempo nem da mesma forma. As diferenças de orientação cristalográfica, de concentração local de carbono, de estrutura dos grãos de austenite prévia e as restrições impostas pelas fases vizinhas geram pequenas deformações plásticas. O artigo da Parte II publicado na *International Journal of Materials and Product Technology* atribui parcialmente as tensões residuais no aço temperado a esta deformação plástica à microescala e relaciona o resultado com as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e cementado e a retificação final ([Parte II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Parte II")). O revenido pode reduzir as tensões ao permitir a recuperação e um ajustamento estrutural limitado, mas não garante uma peça isenta de tensões. ### Endurecimento integral versus endurecimento superficial e cementação O endurecimento integral tende a criar um campo de tensões em grande parte ou em toda a secção, desde que a secção seja suficientemente pequena e o aço tenha temperabilidade suficiente. Um aço de baixa liga, como o AISI 1045, pode formar martensite próximo da superfície, conservando produtos de transformação mais macios na direção do centro numa secção espessa. Um aço de maior temperabilidade, como o AISI 4140, pode transformar-se mais profundamente sob a mesma têmpera nominal, alterando tanto o perfil de dureza como a distribuição das deformações de transformação. O perfil de tensões residuais resultante depende da secção real, da prática de austenitização, da microestrutura inicial e da severidade da têmpera — e não apenas da designação do tipo de aço. O endurecimento superficial cria um contraste de materiais mais acentuado. O endurecimento por indução aquece rapidamente uma camada superficial, enquanto a cementação enriquece em carbono a austenite próxima da superfície antes da têmpera; a nitruração forma uma camada de compostos ou de difusão sem seguir a mesma via de transformação do volume que a cementação. No aço cementado, a camada de elevado teor de carbono pode transformar-se a uma temperatura mais baixa e reter alguma austenite, enquanto o núcleo de menor teor de carbono se transforma de forma diferente. A expansão da camada, a restrição imposta pelo núcleo, a austenite retida e a plasticidade local podem deixar a camada sob compressão, sob tração ou com um perfil misto, dependendo do momento em que ocorrem os fenómenos e das condições do processo. Do ponto de vista das tensões, o endurecimento superficial não é, portanto, simplesmente “duro no exterior, macio no interior”. A uniformidade da têmpera é especialmente importante para engrenagens, veios e componentes de rolamentos cementados. Um arrefecimento desigual ao longo de uma circunferência pode produzir uma deformação de transformação assimétrica e flexão, mesmo quando a profundidade da camada é nominalmente uniforme. A retificação final pode ainda alterar o estado de tensão superficial através de ações térmicas e mecânicas; uma retificação excessiva pode introduzir tensões de tração ou libertar o equilíbrio de compressão estabelecido durante a têmpera. A obra *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel*, da ASM, identifica a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios primários para o projeto de tratamentos térmicos ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM International")). Esse critério exige uma abordagem baseada no perfil. O U.S. Department of Energy relaciona as tensões térmicas e residuais em peças fundidas de aço com a distorção, a fissuração, o retrabalho, a reparação por soldadura, os erros dimensionais e a redução do desempenho em serviço ([relatório do DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "relatório do DOE")). O historial de fundição, tal como salientado em trabalhos da University of Iowa, também pode afetar a estrutura inicial e o campo de tensões. Por isso, o relatório do Worcester Polytechnic Institute considera a distorção durante a têmpera um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fase, tensão, deformação e evolução microestrutural ([relatório do WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "relatório do WPI")). Uma leitura à superfície é uma observação. O comportamento do componente pertence ao perfil completo. ## 9. Revenido, alívio de tensões e tratamento térmico subsequente ### O que o revenido altera e o que não pode garantir O revenido é um tratamento de reaquecimento controlado aplicado após a têmpera, normalmente abaixo da temperatura crítica inferior, Ac⁢1. O seu objetivo imediato é modificar a martensite após a têmpera: o carbono redistribui-se, formam-se carbonetos de transição ou cementite e a rede martensítica sobressaturada perde parte da sua distorção tetragonal. Com o aumento da temperatura e do tempo de revenido, a dureza geralmente diminui, enquanto a tenacidade e a estabilidade dimensional melhoram. A resposta depende da composição química da liga, da prática de austenitização anterior, da dimensão da secção, da velocidade de têmpera e da fração de austenite retida. #### Limite do revenido O revenido pode reduzir algumas tensões e melhorar a estabilidade dimensional, mas não pode inverter todas as alterações de forma causadas por arrefecimento desigual, deformação de transformação ou cedência local. O revenido altera, portanto, tanto as propriedades mecânicas como as tensões residuais, mas não é um eliminador universal das distorções. Uma peça que saia da têmpera arqueada, torcida ou ovalizada pode manter essa forma após o revenido. O revenido pode aliviar algumas tensões elásticas e permitir uma acomodação plástica limitada, mas não pode inverter todas as alterações geométricas já produzidas por um arrefecimento desigual, pela deformação de transformação ou por cedência local. Um veio com diferentes frações de martensite à superfície e no núcleo pode continuar a sofrer alterações dimensionais durante o revenido; um componente cementado pode responder de forma diferente na camada cementada e no núcleo; e a austenite retida pode transformar-se durante o revenido ou posteriormente em serviço, produzindo uma alteração volumétrica adicional. Esta distinção é apresentada no capítulo do *ASM Handbook*, *Tensões residuais e distorção em aços temperados e revenidos*, que separa as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento, demonstrando simultaneamente que estas atuam em conjunto. A revisão de 2022 dos autores de *Tensão residual e distorção durante a têmpera de endurecimento dos aços: uma revisão*, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, aborda igualmente a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera como variáveis interativas. O revenido não pode compensar um padrão de têmpera inadequado, um dispositivo de fixação impróprio ou uma transição abrupta de secção. A exposição térmica subsequente pode provocar novos movimentos dimensionais. Um segundo revenido, um ciclo de alívio de tensões, a nitruração, a cementação, a têmpera por indução, a brasagem, a soldadura ou a retificação final podem alterar o campo de temperaturas e o equilíbrio das fases. A martensite pode continuar a revenir, a austenite retida pode transformar-se e a precipitação de carbonetos pode alterar o volume local e a resistência à cedência. A dimensão final é, consequentemente, o resultado do historial do processo, e não simplesmente a dimensão medida após a têmpera. ### Alívio térmico de tensões O alívio térmico de tensões reduz as tensões residuais através do aquecimento do aço a uma temperatura à qual podem ocorrer escoamento plástico local e relaxação dependente do tempo, sem austenitizar intencionalmente toda a peça. A temperatura selecionada deve permanecer compatível com a dureza, a tenacidade, a profundidade da camada, a tolerância dimensional e a condição metalúrgica exigidas. Um ciclo de alívio de tensões especificado para um aço de baixo carbono normalizado não pode ser aplicado sem alterações a uma ferramenta temperada e revenida, a uma engrenagem cementada ou a um componente nitrurado. *Metalurgia do tratamento térmico*, preservada no arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology, identifica o tratamento térmico como uma das formas de reduzir as tensões residuais e adverte que as tensões de têmpera não aliviadas podem causar empeno durante a maquinagem. O mecanismo é simples: o aquecimento reduz a resistência à cedência, permitindo que as tensões retidas relaxem através de pequenas deformações plásticas e de um escoamento semelhante à fluência. O arrefecimento deve então ser controlado. Se a peça for aquecida de forma desigual, mantida durante um período demasiado curto ou arrefecida com uma nova diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo, o tratamento pode substituir um padrão de tensões por outro. O alívio de tensões também não garante uma distorção nula. Um anel fortemente tensionado pode alterar a sua circularidade à medida que o campo de tensões relaxa, embora o tratamento tenha reduzido a força motriz para movimentos posteriores. Uma peça vazada pode responder de acordo com o seu historial de solidificação, a espessura da secção, a localização do alimentador e reparações de soldadura anteriores. Um relatório do U.S. Department of Energy sobre peças vazadas de aço relaciona as tensões de aquecimento e de têmpera com distorções, fissuração, retrabalho, reparações de soldadura, erros dimensionais e redução do desempenho em serviço; trabalhos da University of Iowa salientam igualmente que o historial de vazamento deve ser incluído nas previsões das dimensões finais e das tensões residuais. Por esse motivo, o alívio térmico de tensões deve ser planeado tendo em conta a sequência completa. A maquinagem de desbaste antes do alívio pode remover material tensionado e revelar movimentos; o alívio antes da maquinagem de desbaste pode reduzir esse risco, mas o próprio ciclo de reaquecimento pode produzir uma alteração dimensional. A maquinagem de acabamento e a retificação devem ser realizadas após o tratamento metalúrgico final sempre que a tolerância assim o exija. As peças endurecidas à superfície e as peças endurecidas em camada requerem cuidados especiais, porque a camada, a zona de transição e o núcleo têm composições, temperaturas de transformação e condições de restrição diferentes. ### Alívio mecânico de tensões e endireitamento O alívio mecânico de tensões altera a forma ou a distribuição das tensões através da aplicação de forças, em vez de depender principalmente da temperatura. O endireitamento por prensa, o endireitamento por rolos, o jato de granalha, a calibração, a cunhagem e a deformação a frio controlada podem corrigir uma curvatura ou um desvio mensurável. Estes processos funcionam ao levar regiões selecionadas para além do seu limite elástico, de modo que a recuperação elástica e a deformação plástica deixem a peça mais próxima da geometria exigida. Essa correção não elimina as tensões. O endireitamento redistribui as tensões residuais e pode introduzir tensão de tração num lado da secção, tensão de compressão no outro ou cedência localizada junto dos apoios e dos pontos de contacto. No aço endurecido, uma força excessiva pode causar fissuração; numa estrutura martensítica de elevada resistência, o endireitamento a frio pode reduzir a resistência à fratura. O endireitamento a quente reduz a força necessária, mas acrescenta um ciclo térmico que pode revenir a martensite, alterar a austenite retida ou produzir um novo gradiente de temperatura. O método admissível depende, portanto, do tipo de aço, da dureza, da geometria da secção e dos requisitos de inspeção. A correção mecânica também pode ocultar uma peça instável, em vez de resolver a causa subjacente. Se a maquinagem remover posteriormente uma camada superficial tensionada, o componente corrigido pode recuperar elasticamente a sua forma ou deslocar-se numa direção diferente. A obra *Metalurgia do tratamento térmico*, alojada no NIST, descreve especificamente o empeno durante a maquinagem causado pela perturbação do equilíbrio das tensões residuais. Estudos publicados no *International Journal of Materials and Product Technology* associam as tensões residuais em aços temperados à deformação plástica à microescala e às condições do meio de têmpera, ao endurecimento superficial ou em camada e à retificação final. Uma sequência adequada consiste, portanto, em reduzir as tensões evitáveis durante a austenitização e a têmpera, realizar prontamente o revenido, aplicar, quando necessário, um tratamento térmico de alívio de tensões compatível, proceder depois à maquinagem de desbaste, efetuar a medição, endireitar apenas no âmbito de um procedimento controlado e concluir com a maquinagem de acabamento ou a retificação após a exposição térmica final. O Worcester Polytechnic Institute descreve a distorção de têmpera como um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fases, tensão, deformação e evolução microestrutural. O endireitamento e o alívio de tensões devem ser avaliados dentro dessa mesma sequência. Quando controlados, reduzem o risco; um reaquecimento, uma aplicação de força ou uma remoção de material mal controlados podem criar a alteração dimensional seguinte. ## 10. Maquinação, Retificação e Libertação de Tensões Ocultas O tratamento térmico nem sempre deixa uma peça de aço com as dimensões finais estabilizadas. Um componente temperado e revenido pode passar numa inspeção inicial e, depois, mover-se durante o torneamento, fresagem, furação ou retificação. A operação de corte não criou necessariamente a distorção original. Pode ter exposto um desequilíbrio de tensões residuais que já estava presente após o aquecimento, a têmpera, a transformação e o revenido. A ASM International separa as tensões residuais do tratamento térmico em contribuições térmicas, de transformação e de endurecimento ([ASM Handbook, Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels")). Estas tensões coexistem com alterações dimensionais causadas pela contração térmica, pela transformação de fases e pela deformação plástica localizada. A revisão de 2022 publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance* descreve o resultado como uma resposta acoplada que envolve transferência de calor, transformação de fases, geometria, espessura da secção, seleção do meio de têmpera e severidade da têmpera ([revisão de 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "revisão de 2022")). A maquinação ocorre depois desse historial, e não sobre uma peça isenta de tensões. ### Porque pode a maquinação revelar distorções do tratamento térmico Uma superfície maquinada pode apresentar uma geometria correta, enquanto a peça ainda contém tensões internas autoequilibradas. Uma região pode estar submetida a compressão e outra a tração, com forças e momentos opostos equilibrados em toda a peça. O equilíbrio pode manter-se estável até que uma ferramenta de corte remova uma dessas regiões. Este é o mecanismo prático descrito em *Metallurgy of Heat Treatment*: as tensões de têmpera não aliviadas podem provocar empeno durante a maquinação, porque a remoção de material perturba o equilíbrio das tensões residuais ([arquivo de dados de materiais do NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "arquivo de dados de materiais do NIST")). Uma placa com tensão de tração próxima de uma face e compressão compensatória mais profundamente no seu interior pode fletir depois de a superfície tensionada ser removida. Um anel pode tornar-se oval. Um veio pode perder retilineidade depois de ser removida uma camada excêntrica. A ferramenta alterou a distribuição de forças e o metal remanescente deforma-se até atingir um novo equilíbrio. A amplitude do movimento depende de mais fatores do que apenas da magnitude das tensões. O comprimento da peça, a espessura da parede, a simetria, a rigidez local, as transições de secção e a orientação do campo de tensões residuais são igualmente importantes. Um flange espesso pode restringir um movimento que seria evidente numa alma fina. Uma chaveta ou um furo transversal podem remover material de um lado e introduzir um momento fletor. Uma camada cementada ou nitrurada pode apresentar um perfil de tensões e de dureza diferente do núcleo; por isso, cortar através da camada altera tanto o equilíbrio mecânico como o percurso local das cargas. O historial do tratamento térmico também é importante. A revisão de 2022 e o relatório do Worcester Polytechnic Institute descrevem a distorção de têmpera como o resultado acoplado da transferência de calor, da transformação de fases, das tensões, das deformações e da evolução microestrutural ([relatório do WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "relatório do WPI")). Assim, duas peças nominalmente idênticas podem responder de forma diferente se o seu forjamento ou vazamento anterior, a deformação a frio, a estrutura dos grãos, a velocidade de aquecimento ou a agitação do meio de têmpera tiverem sido diferentes. O U.S. Department of Energy refere que as tensões térmicas e residuais em peças de aço vazadas podem contribuir para distorções, fissuração, retrabalho, reparações por soldadura, erros dimensionais e redução do desempenho em serviço ([relatório do DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "relatório do DOE")). O historial de vazamento não é apagado pela maquinação posterior. ### Remoção de material e redistribuição de tensões A sobremedida de maquinação proporciona margem para esta incerteza, mas não constitui uma garantia contra movimentos. A sobremedida deve ser considerada em conjunto com o perfil de tensões esperado e com a ordem pela qual as superfícies são expostas. Remover uma grande quantidade de material de um lado de uma peça tratada termicamente pode libertar flexão ou torção; remover quantidades comparáveis de lados opostos pode reduzir o desequilíbrio líquido, embora a simetria, por si só, não assegure a estabilidade dimensional. Por esse motivo, a remoção faseada de material é geralmente tratada como um conceito de controlo dimensional, e não como uma receita universal. A maquinação de desbaste pode remover a maior parte da sobremedida, deixando material suficiente para que a peça reaja e para que uma operação posterior corrija a sua posição. Pode então realizar-se uma inspeção intermédia para identificar movimentos antes de a geometria final ficar definida. Se o desbaste revelar um empeno ou uma excentricidade consideráveis, prosseguir diretamente até à dimensão acabada pode simplesmente reproduzir o erro, deixando uma capacidade de correção menor. A estratégia de referenciação deve seguir a geometria funcional da peça e o seu estado de tensões em mudança. Basear todas as operações numa superfície que se moveu durante o desbaste pode transferir a distorção para as características posteriores. Por outro lado, alterar as referências sem controlar a relação entre elas pode criar uma forma diferente de erro acumulado. Num veio, o eixo escolhido, os assentos dos rolamentos e as faces de extremidade podem ter de ser relacionados através de inspeção, em vez de se presumir que permanecem fixos. Numa placa, a face de referência pode ter de ser reavaliada após o desbaste e o relaxamento das tensões. A inspeção após o desbaste é, por conseguinte, parte da lógica do processo, e não apenas uma verificação final da qualidade. A retilineidade, a planeza, a circularidade, o paralelismo, a excentricidade e a localização de características críticas podem alterar-se entre o desbaste, o tratamento de alívio de tensões, o semiacabamento e o acabamento. A ASM identifica a “minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis” como um critério principal de conceção do tratamento térmico dos aços ([ASM Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel")); a prática de maquinação não pode compensar todas as condições inadequadas de tratamento térmico. Uma operação de alívio de tensões pode reduzir os movimentos, mas a sua temperatura e duração devem ser compatíveis com o tipo de aço, o requisito de dureza, a condição de revenido e o tratamento superficial. O alívio mecânico de tensões também pode alterar as dimensões. Não se deve presumir que nenhum dos métodos remove todas as tensões residuais. ### Tensões de retificação e integridade superficial Tensão residual volumétrica **Tensão residual volumétrica** Tensão residual distribuída por uma profundidade ou volume significativo de um componente, em vez de estar confinada a uma camada superficial pouco profunda. A retificação apresenta um problema distinto, porque os seus efeitos se concentram próximo da superfície. As tensões residuais no volume referem-se a tensões distribuídas por uma parte substancial da secção e capazes de produzir flexão, torção ou alteração global da forma quando é removido material. As tensões induzidas pela retificação são frequentemente um efeito superficial pouco profundo, produzido por deformação mecânica e calor. Ambas podem coexistir, mas não são equivalentes. A revisão publicada no *International Journal of Materials and Product Technology* atribui as tensões residuais no aço temperado à deformação plástica à microescala e analisa a influência das condições do meio de têmpera, do endurecimento superficial e cementado e da retificação final ([Parte I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "Parte I"); [Parte II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Parte II")). A retificação pode impor tensões de tração através de um aquecimento localizado seguido de arrefecimento rápido, ou tensões de compressão através de uma fricção mecânica intensa e de escoamento plástico. O sinal e a profundidade dependem da especificação do rebolo, das condições de contacto, da aplicação do fluido de corte, da remoção de material e da dureza e microestrutura do aço. Um calor excessivo durante a retificação pode danificar a condição de revenido, produzir queimadura de retificação, amolecer zonas específicas ou provocar um novo endurecimento e a formação de martensite não revenida. Estas alterações podem não produzir um empeno imediato evidente, mas podem reduzir o desempenho à fadiga ou provocar alterações dimensionais posteriores. As fissuras superficiais são particularmente perigosas quando uma camada de tensões residuais de tração se combina com cargas cíclicas de serviço. A discussão da retificação final na Parte II é fundamental para o controlo dimensional: a última operação remove pouco material, mas determina a superfície funcional e ainda pode alterar o seu estado de tensões. A retificação final deve, por conseguinte, ser tratada como uma etapa de acabamento controlada, com inspeção posterior da geometria e da integridade superficial. Uma peça que cumpria as dimensões antes da retificação não cumpre necessariamente a sua condição final. A superfície final, a estrutura tratada termicamente subjacente e o campo de tensões devem ser considerados em conjunto. ## 11. Fissuração, Retrabalho e Consequências em Serviço O tratamento térmico pode deixar um componente de aço com um erro dimensional e um campo de tensões residuais. Estes fenómenos estão relacionados, mas não são a mesma coisa. A distorção descreve uma alteração da forma ou das dimensões; a tensão residual descreve a tensão autoequilibrada que permanece depois de removida a carga térmica ou mecânica externa. Uma peça pode parecer perfeitamente direita e, contudo, conter tensões de tração prejudiciais, enquanto outra pode estar empenada, mas apresentar um padrão de tensões residuais que não seja imediatamente crítico para a iniciação de fissuras. Esta distinção é importante nas peças fundidas de aço, porque o aquecimento, o arrefecimento, o historial de solidificação, a maquinagem, a soldadura e as cargas em serviço alteram todos a condição final. A ASM International identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes distintos nos aços temperados e revenidos. A revisão de 2022 de Totten e coautores, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, descreve igualmente a distorção como resultado da interação entre a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera. Nenhuma “tensão de têmpera” isolada explica todas as falhas. ### Quando a tensão residual se torna uma força motriz da fissuração A tensão residual torna-se uma força motriz da fissuração quando a tensão de tração se concentra num defeito ou numa característica geométrica aguda, aumentando a intensidade de tensão local ou a taxa de libertação de energia. A tensão armazenada não precisa de ser elevada em todo o componente. Um poro de fundição, uma película de óxido, uma cavidade de retração, uma inclusão não metálica, uma região com falta de fusão, uma marca de maquinagem, uma ranhura de chaveta ou uma alteração abrupta da secção podem amplificar o campo local de tração. A carga de tração aplicada soma-se então a esse campo. Um componente que sobrevive à inspeção e ao tratamento térmico pode fissurar mais tarde, quando o carregamento cíclico, a vibração, a pressão ou os ciclos térmicos fornecem a força motriz restante. A mesma interação aplica-se à fissuração assistida por hidrogénio. O hidrogénio pode reduzir a resistência coesiva e promover a plasticidade localizada, enquanto a tensão residual de tração ajuda a abrir uma fissura ou a manter o seu crescimento. Por isso, os aços martensíticos de elevada resistência, as superfícies endurecidas, as regiões afetadas pela soldadura e os componentes galvanizados ou expostos a agentes químicos são sensíveis à condição combinada, e não à tensão residual isoladamente. Uma camada superficial compressiva pode atrasar a abertura de uma fissura, mas a tensão de tração subsuperficial, os danos de retificação ou um defeito preexistente podem ainda controlar a falha. A temperatura altera este equilíbrio. A temperaturas elevadas de serviço, o relaxamento de tensões e a fluência podem reduzir parte da tensão residual, mas as diferenças de expansão térmica podem criar novas tensões, e a oxidação ou a degradação microestrutural podem enfraquecer a secção. A baixa temperatura, a redução da tenacidade pode tornar um defeito mais perigoso, mesmo que a tensão residual não tenha aumentado. A transformação durante o serviço também pode alterar o volume e a rigidez. O relatório do U.S. Department of Energy sobre peças fundidas de aço relaciona as tensões térmicas e residuais geradas durante o aquecimento e a têmpera com a fissuração, a distorção, o retrabalho, a reparação por soldadura e a redução do desempenho em serviço; a sua implicação é prática: a inspeção e o projeto devem considerar a combinação tensão-defeito-serviço. A tensão residual também pode tornar-se perigosa durante o acabamento. *Metallurgy of Heat Treatment*, disponível através do arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology, observa que as tensões de têmpera não aliviadas podem provocar empenamento durante a maquinagem, porque a remoção de material perturba o equilíbrio original de tensões. A remoção de um dos lados de uma secção pode libertar de forma desigual tensões de tração ou de compressão. Uma fissura pode então surgir num defeito recém-exposto, mas a operação de maquinagem não criou necessariamente o campo de tensões original. ### Distorção, reparação por soldadura e retrabalho A distorção desencadeia frequentemente o retrabalho antes de provocar uma fratura. Uma peça fundida empenada pode ser reprovada numa inspeção dimensional, ficar desalinhada em relação à peça correspondente, exceder a sobremedida de maquinagem ou produzir uma superfície de vedação irregular. Podem seguir-se operações de endireitamento, aquecimento localizado, maquinagem adicional, granalhagem de compactação, alívio de tensões ou reparação por soldadura. Cada operação altera novamente o historial térmico e mecânico. A reparação por soldadura não é uma correção neutra. A soldadura impõe uma fonte de calor pequena e intensa junto de aço relativamente frio, produzindo um novo gradiente térmico, uma zona afetada pelo calor, contração durante o arrefecimento e, possivelmente, microestruturas duras e frágeis. Se a peça fundida já contiver tensões de têmpera, o cordão de reparação pode sobrepor tensões de tração numa região que contenha porosidade, inclusões, defeitos de retração ou fissuração prévia. O controlo do hidrogénio, o pré-aquecimento, a temperatura entre passes, a seleção do metal de adição, o tratamento térmico pós-soldadura e a inspeção são, consequentemente, tão importantes como o perfil visível da soldadura. As conclusões do Department of Energy e os trabalhos da University of Iowa sobre peças fundidas de aço são importantes porque relacionam a precisão dimensional final com o historial de fundição. A sequência de solidificação, a espessura local da secção, a alimentação, as restrições ao arrefecimento, os ciclos térmicos anteriores e o tratamento térmico subsequente afetam tanto o campo de tensões inicial como a resposta a operações posteriores. Uma previsão baseada apenas na têmpera final não pode considerar as tensões herdadas da fundição. O relatório da Iowa salienta especificamente a necessidade de incluir o historial de fundição na previsão das dimensões finais e das tensões residuais. O retrabalho pode revelar um segundo problema: um componente pode ser colocado dentro da tolerância do desenho e, ainda assim, manter uma condição de tensões inadequada. Uma retificação intensa pode remover uma camada superficial compressiva e expor material de tração subjacente. Operações repetidas de endireitamento localizado podem provocar deformação plástica e reduzir a margem de resistência à fadiga. Em contrapartida, um alívio de tensões controlado pode reduzir o risco de distorção, mas um aquecimento excessivo ou mal controlado pode alterar a dureza, a condição de revenido, a profundidade cementada, as camadas nitruradas ou o ajuste dimensional. Por isso, *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel*, da ASM, considera a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis critérios fundamentais de projeto, e não problemas de inspeção a corrigir no final. ### Alteração dimensional em serviço Um componente não precisa de fissurar para deixar de cumprir a sua função. A instabilidade dimensional pode alterar a pré-carga dos rolamentos, a folga entre dentes de engrenagens, o alinhamento dos veios, a folga das válvulas, a compressão dos vedantes ou a pressão de contacto. Numa montagem de precisão, um pequeno deslocamento pode provocar contacto por atrito, fugas, distribuição desigual das cargas ou desgaste acelerado. A peça mantém-se estruturalmente íntegra, mas o seu desempenho em serviço diminui. Vários mecanismos podem produzir esse deslocamento. A tensão residual pode relaxar durante o serviço, permitindo uma recuperação elástica ou uma redistribuição plástica. A austenite retida pode transformar-se em martensite, provocando expansão; o revenido pode reduzir o volume e a dureza da martensite; e os ciclos térmicos podem expor repetidamente as diferenças entre a camada superficial e o núcleo. As secções cementadas, nitruradas, endurecidas por indução e endurecidas em toda a secção não respondem de forma idêntica, porque os seus gradientes de composição, dureza, temperatura de transformação e tensão residual são diferentes. A retificação final também pode ser importante depois do tratamento térmico. Os estudos publicados no *International Journal of Materials and Product Technology* identificam os gradientes de têmpera não uniformes como uma fonte principal de distorção e relacionam a tensão residual com a deformação plástica à microescala, as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e da camada cementada e a retificação final. O relatório do Worcester Polytechnic Institute apresenta o mesmo problema como uma interação acoplada entre transferência de calor, transformação de fases, tensão, deformação e alteração microestrutural. A qualificação para o serviço deve, portanto, abordar a deriva dimensional, além da iniciação de fissuras. Uma peça direita e sem fissuras no momento da expedição não é necessariamente uma peça dimensionalmente estável durante o funcionamento. ## 12. Medição da Distorção e das Tensões Residuais A inspeção após o tratamento térmico deve combinar dois registos diferentes: um mapa dimensional que mostre como o componente se deslocou e uma caracterização das tensões que indique que desequilíbrio elástico ou plástico permanece no seu interior. A distorção é uma alteração da forma ou das dimensões. A tensão residual é um campo de tensões autoequilibrado que permanece depois de desaparecerem as cargas externas e os gradientes de temperatura. Estão associadas, mas não são intercambiáveis. Uma peça pode cumprir uma tolerância dimensional e, simultaneamente, conservar uma tensão de tração que posteriormente provoque fissuração, deslocações durante a maquinagem ou danos por fadiga. Inversamente, uma peça visivelmente empenada pode ter sofrido uma deformação de transformação considerável, mesmo depois de grande parte da sua tensão residual ter relaxado. A ASM International identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes distintos nos aços temperados e revenidos. A revisão de 2022, da autoria dos autores de *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels*, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, descreve o resultado como uma interação entre a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera (doi:10.1007/s11665-022-06667-x). Por conseguinte, a medição deve preservar informação suficiente sobre a peça e o seu historial térmico para distinguir um defeito dimensional local de uma resposta generalizada do processo. ![Máquina de medição por coordenadas a inspecionar um veio de aço tratado termicamente](/images/uploads/2e447bac-a3c4-4790-ab32-f5b73c8eafb4/wiki-inline-a-precision-steel-shaft-being-measured-on-a-coordinate-measuring-machine-after-h-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/2e447bac-a3c4-4790-ab32-f5b73c8eafb4/wiki-inline-a-precision-steel-shaft-being-measured-on-a-coordinate-measuring-machine-after-h-1920x1434.avif "Ampliar imagem — Máquina de medição por coordenadas a inspecionar um veio de aço tratado termicamente")Dimensional inspection records the visible result of the heat-treatment history. ### Inspeção dimensional e seleção dos elementos de referência #### Sequência de inspeção 1. **Referência inicial** Meça e registe o componente não tratado, a orientação, a condição do material e as referências de medição. 2. **Medição após o tratamento** Compare as dimensões após a têmpera e o revenido utilizando a mesma estratégia de referência. 3. **Medição na etapa de maquinagem** Inspecione após a desbaste e após uma remoção significativa de sobremetal para identificar a libertação de tensões. 4. **Caracterização das tensões** Utilize um método cuja profundidade e direção correspondam ao gradiente de tensões suspeito. Uma inspeção dimensional significativa começa antes do aquecimento. O componente não tratado deve ser medido, marcado e fotografado, registando-se o seu estado metalúrgico e a sua orientação. Um registo útil inclui a designação do aço, o número do lote ou da corrida, o estado de maquinagem anterior, o tratamento superficial, a orientação no dispositivo de fixação, o ciclo do forno, o tempo de transferência, a temperatura e a agitação do meio de têmpera, o ciclo de revenido e o intervalo entre o tratamento e a inspeção. O arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology, em *Metallurgy of Heat Treatment*, alerta para o facto de as tensões de têmpera não aliviadas poderem provocar empeno durante a maquinagem, uma vez que a remoção de material altera o equilíbrio das tensões residuais. Por conseguinte, um registo “antes” não é opcional quando, após a têmpera, se segue uma retificação final ou uma maquinagem de desbaste. A seleção dos elementos de referência controla o significado de todos os resultados posteriores. Os elementos de referência devem estar associados a superfícies funcionais ou a características geométricas estáveis, e não simplesmente à aresta mais conveniente. Uma face de grandes dimensões pode ela própria arquear durante a têmpera; utilizá-la como plano perfeito pode ocultar esse arqueamento, obrigando o sistema de coordenadas a acompanhar o defeito. Num veio, o eixo de rotação anterior ao tratamento, os colos de apoio e uma face de extremidade designada podem definir o sistema de referência. Numa placa, pode ser apropriado utilizar um plano controlado e duas arestas ortogonais, desde que não se espere que essas características se transformem de forma desigual. Os dispositivos de fixação devem restringir o componente apenas o suficiente para o posicionar. Uma fixação excessiva durante a medição pode aplanar uma peça empenada e registar a condição imposta pelo dispositivo, em vez da geometria em estado livre. As máquinas de medição por coordenadas podem mapear a localização dos furos, o desvio do perfil, o paralelismo, a perpendicularidade, a planeza e as alterações na posição do eixo. Uma nuvem de pontos é mais informativa do que algumas leituras máximas, porque revela se a distorção corresponde a uma flexão global, a uma elevação localizada da aresta, a uma ovalização, a uma torção ou a uma alteração concentrada numa transição entre uma secção espessa e uma secção fina. Deve utilizar-se o mesmo sistema de coordenadas e a mesma estratégia de apalpação antes e depois do tratamento. A compensação de temperatura é importante: um componente de aço medido a temperaturas diferentes pode apresentar uma alteração dimensional aparente resultante apenas da expansão térmica. As peças redondas requerem verificações de circularidade e cilindricidade em várias posições axiais. Medir apenas um diâmetro pode não detetar uma lobulação ou um eixo arqueado. A retilineidade deve ser verificada ao longo de várias geratrizes e, quando relevante, ao longo do eixo neutro ou funcional. Um anel pode manter o seu diâmetro médio e, ainda assim, tornar-se oval; uma engrenagem pode manter o espaçamento entre dentes num determinado raio, enquanto a sua periferia desenvolve um desvio radial. A comparação por secções é útil para peças complexas: compare perfis transversais através de paredes finas, cubos, nervuras, concordâncias e secções espessas, e depois compare as secções correspondentes antes e depois do tratamento. O padrão frequentemente aponta para um gradiente térmico ou para uma incompatibilidade de transformação. A inspeção deve distinguir a distorção em estado livre da distorção provocada pela separação, pelo corte ou pela fixação. Se um componente for seccionado para análise metalográfica ou medição de tensões, as suas dimensões devem ser registadas antes do corte e após cada etapa de libertação. O historial de fundição também pode ser relevante. Relatórios do U.S. Department of Energy e da University of Iowa associam as tensões de aquecimento e de têmpera em peças de [aço fundido](/pt/categorias/aço-fundido "aço fundido") à distorção, à fissuração, ao retrabalho, à reparação por soldadura, ao erro dimensional e à redução do desempenho em serviço; o trabalho da Iowa inclui especificamente o historial de fundição na previsão das dimensões e tensões finais. ### Métodos de medição das tensões residuais Os métodos de medição de tensões residuais medem diferentes porções do campo de tensões. | Método | Profundidade de amostragem ou característica | Principal limitação | |---|---|---| | Difração de raios X | Deformação da rede cristalina próxima da superfície | Não descreve, por si só, o campo de tensões do núcleo | | Perfuração por furo | Perfil incremental a pequena profundidade | Semidestrutivo e dependente de modelos | | Medição de contorno ou seccionamento | Libertação de tensões através de um corte | Destrutivo e sensível aos efeitos do corte | | Difração de neutrões | Maior penetração interna | Requer acesso especializado e dados da rede cristalina de referência | A difração de raios X (XRD) mede a deformação da rede cristalina próxima da superfície através da observação dos deslocamentos dos picos de difração. Com constantes elásticas adequadas e um plano de difração apropriado, essas deformações são convertidas em tensão. O método é geralmente sensível à superfície, sendo por isso valioso para camadas cementadas, superfícies retificadas e camadas temperadas, mas não pode, por si só, descrever o campo de tensões no centro de uma secção espessa. A rugosidade superficial, a textura cristalográfica, a austenite retida, a descarburização e a radiação selecionada podem alterar o resultado. As medições devem ser efetuadas em locais selecionados a partir do mapa dimensional: nos lados convexos e côncavos de uma curvatura, junto de concordâncias, em secções finas e espessas e ao longo de ambas as direções principais. A perfuração por furo é um método semidestrutivo. É introduzido progressivamente um pequeno furo, enquanto extensómetros ou métodos óticos detetam o relaxamento elástico local. Um cálculo inverso estima a tensão original em função da profundidade. O método analisa uma profundidade superior à da XRD convencional, mas continua a ser uma técnica próxima da superfície; além disso, o cálculo pressupõe uma geometria definida, uma resposta elástica e uma variação das tensões suficientemente conhecida. Um furo próximo de uma aresta, de uma concordância, de uma reparação por soldadura ou de um gradiente acentuado de dureza pode violar esses pressupostos. O próprio furo também interrompe a peça, pelo que a sua localização deve ser escolhida num ponto onde os danos resultantes sejam aceitáveis. A medição do contorno, o seccionamento e outros métodos destrutivos relacionados revelam as tensões ao permitir que um corpo restringido relaxe. Nos métodos de contorno, um componente é cortado ao longo de um plano, mede-se a superfície recém-exposta e um modelo elástico reconstrói a tensão normal que produziu o deslocamento. O seccionamento pode revelar diretamente os movimentos de flexão e abertura, mas o corte liberta um campo de tensões tridimensional e pode exigir correções relativas à distorção provocada pelo corte, à plasticidade e ao ruído de medição. Estes métodos são poderosos para secções espessas e soldaduras, mas não proporcionam uma verificação não destrutiva da produção. A difração de neutrões pode medir a deformação da rede cristalina a profundidades substancialmente superiores às da XRD, porque os neutrões penetram mais profundamente em muitos aços. Pode mapear as tensões internas ao longo de uma secção sem cortar o componente, dependendo dos requisitos de acesso, volume de medição, textura, fase e rede cristalina de referência. É especialmente útil quando as medições superficiais e a resposta à maquinagem sugerem um gradiente de tensões enterrado. Não se deve esperar que os resultados da difração de neutrões, da XRD e da perfuração por furo coincidam no mesmo local nominal, a menos que os seus volumes e profundidades de amostragem sejam comparáveis. ### Separação do erro do processo do erro de medição Uma divergência entre duas inspeções não prova automaticamente que o processo de tratamento térmico se tenha alterado. A incerteza de medição deve ser estimada separadamente da variação do processo. Repita a mesma medição sem deslocar o componente; em seguida, retire-o, volte a fixá-lo e repita a medição. A diferença permite separar a repetibilidade do instrumento dos efeitos da reposição dos elementos de referência e do operador ou da fixação. Artefactos calibrados, medição rastreável da temperatura, qualificação do apalpador e um procedimento de alinhamento documentado permitem determinar se o sistema de coordenadas é estável. O estado da superfície é uma fonte frequente de interpretações erradas. A carepa, os óxidos, o material descarburizado, as queimaduras de retificação, as camadas sujeitas a granalhagem e a rugosidade podem afetar tanto a apalpação dimensional como a difração. Efetue medições antes e depois da limpeza, segundo um procedimento definido, e registe qualquer remoção de material. Se a retificação se seguir à têmpera, inspecione a superfície antes da retificação e após cada etapa significativa de maquinagem. Uma alteração do desvio radial após a remoção de material pode resultar da libertação de tensões residuais, e não de um novo defeito de têmpera; do mesmo modo, uma alteração da tensão medida por XRD pode refletir a remoção de uma camada superficial tensionada. A simetria fornece um diagnóstico importante. Devem comparar-se pontos equivalentes em lados opostos de um componente nominalmente simétrico, mas esses pontos não devem ser simplesmente sujeitos a uma média. Um processo simétrico deveria produzir um resultado simétrico; uma diferença persistente de um só lado pode indicar um fluxo desigual do meio de têmpera, contacto com o dispositivo de fixação, carregamento do forno ou um erro de maquinagem preexistente. Os gradientes de tensões também tornam pouco fiáveis as leituras num único ponto. Mapeie várias profundidades, orientações e zonas geométricas e, em seguida, compare o padrão com a dureza, a microestrutura, o teor de austenite retida e o ciclo térmico registado. O Worcester Polytechnic Institute descreve a distorção de têmpera como um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fases, tensão, deformação e evolução microestrutural. O sistema de inspeção deve ser igualmente rigoroso na separação desses efeitos dos erros introduzidos pela própria medição. ## 13. Modelação e Simulação da Distorção durante o Tratamento Térmico A simulação do tratamento térmico não é um calculador da velocidade de têmpera ao qual se acrescenta posteriormente uma correção da distorção. Um modelo credível prevê a evolução acoplada da temperatura, das frações de fase, da deformação, das tensões e da geometria enquanto o aço é aquecido, mantido à temperatura, temperado, revenido e, por vezes, maquinado. A distorção é a alteração da forma ou das dimensões; a tensão residual é a tensão interna que permanece depois de desaparecerem as cargas externas e os gradientes de temperatura. São resultados diferentes do mesmo historial de processo. Uma peça pode apresentar uma tensão residual substancial e pouca distorção visível, ou uma deformação evidente depois de as tensões serem libertadas pela maquinagem. A ASM International identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes distintos nos aços temperados e revenidos. A tensão térmica resulta da expansão e contração restringidas. A tensão de transformação desenvolve-se quando regiões diferentes se transformam a temperaturas distintas e alteram o volume em momentos diferentes. A tensão de endurecimento está associada à resposta mecânica da microestrutura em evolução, incluindo alterações na tensão de cedência e no escoamento plástico. Uma simulação que omita qualquer um destes mecanismos pode ainda produzir uma curva de temperatura suave, mas as dimensões previstas podem estar erradas. ### Acoplamento térmico, metalúrgico e mecânico O campo térmico é o ponto de partida, não a resposta completa. O solucionador tem de calcular a condução de calor através do aço, a radiação e a convecção nas superfícies expostas, a condução de contacto nos dispositivos de fixação e a remoção de calor para o fluido de têmpera. A transferência de calor superficial é normalmente expressa através de uma condição de fronteira dependente da temperatura ou de um coeficiente de transferência de calor. Esse coeficiente altera-se durante a ebulição, a ebulição nucleada, a ebulição de transição e a convecção líquida ou de vapor. Varia também com a agitação, a orientação da peça, a temperatura do meio de têmpera, a química do fluido e o estado local da superfície. A revisão de 2022, “Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels”, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, salienta que a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera interagem entre si. Uma temperatura uniforme do banho não cria um historial de arrefecimento uniforme se uma face estiver protegida, se um furo retiver vapor ou se um cubo espesso arrefecer mais lentamente do que uma coroa fina. Os artigos do *International Journal of Materials and Product Technology*, nas Partes I e II, identificam igualmente os gradientes térmicos não uniformes como uma fonte principal de distorção durante a têmpera e relacionam a tensão residual com as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e de camada e a retificação final. O modelo metalúrgico converte a temperatura e a composição em evolução das fases. A austenite pode transformar-se em ferrite, perlite, bainite, martensite ou austenite retida, dependendo do percurso local de arrefecimento e da temperabilidade. Cada transformação pode produzir uma deformação de transformação, incluindo uma componente volumétrica e, em alguns modelos, uma componente dependente da orientação. O modelo constitutivo combina então a deformação térmica, a deformação de transformação, a deformação elástica e a deformação plástica: \\\[ \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{total} = \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{elastic} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{plastic} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{thermal} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{transformation}. \\\] Esta decomposição constitui uma estrutura de modelação, não uma afirmação de que as deformações ocorrem de forma independente. Elas interagem através do estado de tensão e da tensão de cedência dependente da temperatura. Uma região martensítica pode formar-se enquanto a austenite circundante ainda está quente e é deformável; o arrefecimento posterior pode inverter o padrão local de tensões. Também pode ocorrer plasticidade induzida pela transformação quando a tensão favorece a transformação ou quando a deformação de transformação promove o escoamento plástico. O acoplamento mecânico deve, por isso, incluir o módulo de elasticidade, a tensão de cedência, o comportamento de endurecimento, o coeficiente de Poisson e a deformação de transformação dependentes da temperatura e da fase, bem como, quando necessário, uma resposta de fluência ou viscoplástica. As restrições impostas por dispositivos de fixação, matrizes de prensagem, núcleos ou secções adjacentes têm de ser representadas explicitamente. Uma barra livre, um anel apertado e uma engrenagem apoiada num dispositivo de fixação não terão a mesma distorção prevista, mesmo que sejam do mesmo aço e tenham sido submetidos ao mesmo banho de têmpera. ### Dados do material e cinética das transformações Os dados do material determinam se a simulação descreve uma qualidade específica ou apenas um aço genérico. Os dados de entrada necessários incluem normalmente a composição química, a densidade, a condutividade térmica, o calor específico, a emissividade, as temperaturas de transformação de fases, o calor latente, as frações de fase, a cinética das transformações, as deformações de transformação e as propriedades mecânicas de cada fase relevante. Os dados de temperabilidade, como um perfil de Jominy ou um comportamento de transformação em arrefecimento contínuo calibrado, podem ajudar a determinar se uma secção forma martensite ou uma mistura de bainite e perlite. A cinética tem de corresponder ao ciclo térmico. Os dados de transformação isotérmica, por si só, podem não prever a resposta de um forjamento ou fundição arrefecido continuamente. Os modelos baseados em diagramas de transformação-tempo-temperatura, diagramas de transformação em arrefecimento contínuo, relações de martensite do tipo Koistinen–Marburger ou rotinas calibradas de campo de fases e de elementos finitos têm, cada um, pressupostos relativos à nucleação, à incubação, à composição e à estrutura dos grãos de austenite prévia. Os gradientes de carbono resultantes da cementação, os gradientes de azoto resultantes da nitruração e a segregação proveniente da fundição exigem dados de entrada espacialmente variáveis, em vez de uma única composição atribuída a todos os elementos. O arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology constitui uma fonte útil de informação de base sobre tratamentos térmicos, mas os dados arquivados continuam a ter de ser verificados em relação à qualidade efetiva, ao tamanho da secção, ao estado da superfície e ao equipamento. Os valores publicados podem ter sido medidos com geometrias de provetes ou velocidades de arrefecimento diferentes. Um modelo calibrado para uma têmpera em óleo não deve ser transferido sem ensaios para uma solução polimérica, água, gás ou uma têmpera interrompida. A fronteira de têmpera faz parte do conjunto de dados do material e do processo. A calibração deve comparar as temperaturas, as frações de fase, a dureza, as dimensões e as tensões previstas com medições realizadas no processo especificado. Termopares, medições por infravermelhos quando praticável, dilatometria, perfis de dureza, contagens metalográficas das fases, digitalizações com máquinas de medição por coordenadas e difração de raios X ou de neutrões podem testar diferentes partes do modelo. A calibração da distorção deve incluir várias características: diâmetro do furo, planeza da face, batimento, comprimento e alteração angular. A correspondência de uma única dimensão final pode ocultar erros compensatórios na transferência de calor e na deformação de transformação. A sensibilidade à malha é importante porque paredes finas, concordâncias acentuadas, rasgos de chaveta, furos, transições de profundidade de camada e regiões de contacto criam gradientes acentuados. Refinar a malha até que a dimensão final prevista se altere apenas ligeiramente é mais significativo do que selecionar uma malha visualmente fina apenas uma vez. As hipóteses relativas às condições de fronteira merecem o mesmo escrutínio. Um arrefecimento perfeitamente simétrico, coeficientes de transferência de calor perfeitamente rígidos e constantes e apoios sem atrito podem produzir um resultado ordenado que o forno nunca cria. Os estudos de sensibilidade devem variar a densidade da malha, os coeficientes superficiais, a rigidez dos dispositivos de fixação, o atrito, a temperatura inicial e os parâmetros cinéticos das fases, para identificar quais as incertezas que controlam o resultado. ### Historial de fundição e previsão das dimensões finais O historial de fundição e o processamento anterior podem afetar materialmente as dimensões finais previstas e as tensões residuais. Limited evidence No caso do aço fundido, a condição inicial já constitui um historial térmico e mecânico. A solidificação produz segregação, estrutura dendrítica, porosidade, tensão residual e uma estrutura de grão não uniforme. O arrefecimento após a desmoldagem, a remoção dos massalotes, a maquinagem de desbaste, a reparação por soldadura e o alívio de tensões podem alterar o campo de tensões antes do início do endurecimento. O U.S. Department of Energy indica que as tensões térmicas e residuais nas peças de aço fundido podem contribuir para a distorção, a fissuração, o retrabalho, a reparação por soldadura, os erros dimensionais e a redução do desempenho em serviço. Um modelo que comece com um bloco sem tensões e de composição uniforme à temperatura ambiente eliminou os dados que controlam grande parte da resposta posterior. O relatório da University of Iowa salienta o mesmo ponto em termos de previsão: o historial de fundição tem de ser incluído na estimativa das dimensões finais e das tensões residuais. Isso pode exigir um fluxo de trabalho sequencial. Uma simulação da fundição prevê primeiro a solidificação, o arrefecimento, a contração e a tensão residual; os campos de temperatura, fase, composição e tensão resultantes tornam-se depois o estado inicial para a austenitização e a têmpera. A maquinagem de desbaste pode ser modelada em seguida através da remoção de elementos ou da alteração das restrições, seguida de outro cálculo de equilíbrio. Esta sequência capta a redistribuição das tensões que uma única etapa de tratamento térmico não consegue representar. A geometria final prevista é, consequentemente, específica do processo. Depende do carregamento do forno, do tempo de austenitização, do atraso na transferência, do movimento do fluido de têmpera, do contacto com os dispositivos de fixação, do revenido, do arrefecimento entre operações e do historial do material. A simulação não produz um valor abstrato de distorção pertencente ao “aço”, independentemente dessas condições. Prevê a resposta de uma geometria, qualidade, estado inicial, configuração do equipamento e programação de processo definidos. Esta distinção explica também por que razão a simulação deve apoiar os ensaios de processo, em vez de substituir a medição. O relatório do Worcester Polytechnic Institute descreve a distorção durante a têmpera como um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fases, tensão, deformação e alteração microestrutural. O modelo é credível quando reproduz o comportamento medido em mais do que uma peça ou condição, evidencia as sensibilidades dominantes e mostra onde a tensão residual será libertada durante a maquinagem. Por isso, as orientações da ASM para o projeto de tratamentos térmicos consideram a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios de projeto primários, e não como correções posteriores ao processo. ## 14. Estratégias de Processo e de Projeto para Controlar a Distorção O controlo da distorção deve ser organizado em torno da redução de deformações incompatíveis, e não da promessa de uma alteração dimensional nula. Durante o aquecimento e a têmpera, diferentes regiões de uma peça expandem, contraem, transformam-se e plastificam em momentos distintos. A ASM International identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes separados, embora estas se desenvolvam em conjunto no componente real. A revisão de 2022 publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance* descreve igualmente a distorção de têmpera como uma interação entre a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura das secções, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera. Um processo adequado limita, portanto, as diferenças entre regiões adjacentes. Não se limita a selecionar um meio de têmpera mais rápido ou a aplicar um sobremetal de maquinação maior. ### Projeto para um aquecimento e arrefecimento uniformes A geometria é a primeira variável do processo. Cubos espessos ligados a almas finas, ressaltos abruptos, rasgos de chaveta afiados, furos cegos e secções de parede desiguais criam diferentes velocidades de aquecimento e arrefecimento. Produzem também uma restrição local: uma região tenta contrair-se enquanto outra permanece quente e expandida. A tensão resultante pode provocar deformação plástica antes da formação de martensite ou ser posteriormente libertada quando as tensões residuais são redistribuídas. Simplificar a forma reduz estas incompatibilidades. Sempre que o projeto funcional o permita, utilize transições graduais de secção, grandes raios de concordância e espessuras de parede tão uniformes quanto possível. Evite alterações bruscas da secção transversal junto de sedes de rolamentos, dentes de engrenagens ou superfícies de posicionamento. Uma transição que parece modesta no desenho pode ter um efeito significativo durante a têmpera, porque a região mais fina pode atingir a temperatura de início da formação de martensite enquanto a região mais espessa ainda sofre contração térmica. O *International Journal of Materials and Product Technology* identifica os gradientes térmicos não uniformes durante a têmpera como uma fonte principal de distorção de têmpera. O aquecimento também deve ser uniforme em toda a carga. As peças devem ser espaçadas de modo a permitir a circulação da atmosfera do forno à sua volta, em vez de serem acondicionadas de forma compacta e em contacto umas com as outras. Cestos pesados, componentes empilhados e superfícies protegidas podem atrasar localmente o aquecimento. O pré-aquecimento é útil quando, de outro modo, se desenvolveria uma grande diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo, especialmente em peças espessas, complexas ou altamente ligadas. Um ciclo por etapas pode reduzir o choque térmico, mas o pré-aquecimento não elimina a necessidade de controlar a temperatura de austenitização e o tempo de manutenção. Uma exposição excessiva pode aumentar o tamanho dos grãos de austenite, intensificar a oxidação ou a descarburação e alterar a resposta final à transformação. A uniformidade do arrefecimento é tão importante como a uniformidade no forno. O meio de têmpera deve atingir todas as superfícies relevantes a uma velocidade semelhante, com temperatura, agitação e limpeza controladas. Mantas de vapor, zonas estagnadas, passagens obstruídas e padrões de pulverização desiguais criam históricos de arrefecimento locais. O resultado pode ser uma superfície martensítica dura adjacente a uma região que contém bainite, perlite ou austenite retida, acompanhada por diferentes alterações de volume e diferentes estados de tensão residual. A agitação durante a têmpera deve remover o vapor e proporcionar uma transferência de calor reprodutível, sem forçar uma característica fina a dobrar sob a ação do fluido ou das cargas de manuseamento. Os sobremetais de maquinação devem refletir este comportamento. Os pontos de referência críticos podem ser deixados com material suficiente para as operações de acabamento após a têmpera e o revenido, enquanto não se deve adicionar sobremetal desnecessário de forma indiscriminada, pois isso aumenta a massa térmica e pode ampliar as diferenças entre secções. A operação final de retificação também merece atenção: o estudo do IJMPT sobre aço temperado relaciona as tensões residuais com as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e de camada e a retificação final. ### Seleção da temperabilidade e das condições de têmpera A composição química do aço determina a velocidade a que uma secção deve arrefecer para evitar produtos de transformação por difusão e obter a microestrutura necessária. A escolha deve ser orientada pela temperabilidade, e não simplesmente pela dureza nominal. Por exemplo, o AISI 4140 apresenta geralmente maior temperabilidade do que um aço ao carbono simples com teor de carbono comparável, porque o crómio e o molibdénio retardam a transformação; o AISI 52100 é selecionado para aplicações de rolamentos com elevado teor de carbono, mas exige um controlo rigoroso da austenitização e da têmpera, porque a sua população de carbonetos e o tamanho da secção afetam o comportamento da transformação. O grau correto depende do perfil de dureza necessário, da tenacidade, da resistência ao desgaste, das dimensões e das tensões de serviço. A seleção de um aço com temperabilidade adequada pode permitir uma têmpera menos severa. Isso reduz a diferença de temperatura entre a superfície e o núcleo e diminui a tensão térmica necessária para produzir a estrutura pretendida. Uma têmpera muito severa pode produzir uma elevada dureza superficial, mas também pode aumentar a distorção, o risco de fissuração e as tensões residuais sem melhorar as propriedades necessárias do núcleo. Pelo contrário, uma severidade insuficiente pode deixar zonas moles ou quantidades excessivas de bainite e perlite. A decisão é um compromisso metalúrgico, não uma preferência geral por óleo, água, polímero, gás ou sal. A concentração, a temperatura, o movimento e a manutenção do meio de têmpera devem ser especificados como variáveis do processo. As soluções poliméricas podem alterar o comportamento de arrefecimento à medida que variam a concentração e a agitação; a viscosidade e a temperatura do óleo afetam a circulação e a transferência de calor; a têmpera em gás depende da pressão, da velocidade e da exposição da peça. A têmpera em sal ou por etapas pode reduzir o intervalo de temperaturas em que se desenvolvem gradientes térmicos severos, mas o ciclo deve continuar a proporcionar a transformação necessária. A revisão de 2022 do JMEP salienta que a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera não podem ser dissociadas da geometria e da espessura das secções. Os processos de endurecimento superficial e de camada exigem cuidados específicos. A cementação altera o teor de carbono próximo da superfície e, consequentemente, a temperatura de transformação, a temperabilidade e a alteração de volume. A nitruração produz uma camada de compostos endurecida ou uma zona de difusão, com uma transformação do volume do material muito menor do que na cementação, mas a distorção pode ainda resultar de tensões de maquinação preexistentes, do aquecimento, da restrição imposta pelos dispositivos e da retificação após o tratamento. O tratamento térmico em vácuo pode melhorar o controlo da atmosfera, mas não produz automaticamente um arrefecimento uniforme se a disposição da carga ou o escoamento do gás forem inadequados. O revenido deve seguir-se à têmpera dentro da janela de processo especificada. Reduz o risco de permanência de martensite não revenida e de tensões de têmpera que poderiam posteriormente contribuir para fissuração ou empeno. Quando as tensões residuais permanecem inaceitáveis, pode ser adequado aplicar um alívio de tensões mecânico ou térmico, desde que o tratamento não comprometa a dureza, a profundidade da camada, as tolerâncias dimensionais ou o estado superficial. As orientações da ASM relativas ao projeto de tratamentos térmicos identificam a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios de projeto primários. ### Dispositivos, orientação e sequência do processo Os dispositivos devem restringir o movimento sem impor um novo percurso de carga concentrado. A fixação rígida de uma peça que tenta contrair-se pode trocar a distorção livre por tensões residuais elevadas, deformação plástica local ou fissuração. Sempre que possível, os apoios devem contactar regiões resistentes e não funcionais, e a pressão de contacto deve permanecer consistente à medida que a peça altera a sua temperatura. Anéis, placas e veios finos podem necessitar de mandris, dispositivos de suspensão ou apoios guiados, mas o dispositivo deve permitir a contração térmica prevista, em vez de a bloquear completamente. A orientação da peça controla tanto os efeitos da gravidade como o acesso do meio de têmpera. Os veios longos podem ser suspensos verticalmente para limitar a flecha, enquanto as placas planas podem exigir uma orientação que impeça a formação de bolsas de vapor e permita que ambas as faces arrefeçam de forma semelhante. As cavidades, os dentes de engrenagem, as ranhuras e os furos devem estar orientados em relação ao escoamento de modo a evitar vapor retido ou fluido estagnado. A orientação da carga deve ser validada no cesto real, pois as peças adjacentes podem proteger superfícies e alterar as velocidades de arrefecimento locais. A sequência das operações é igualmente importante. Efetue a maquinação de desbaste antes do tratamento térmico, mantenha um sobremetal de acabamento controlado e, depois da têmpera e do revenido, realize a maquinação ou a retificação de acabamento, quando o estado de tensões residuais for conhecido. No caso de peças fundidas ou forjadas de grandes dimensões, o aviso do relatório técnico de Iowa é significativo: o historial de fabrico afeta as dimensões finais e as tensões residuais. A estrutura de solidificação, os ciclos térmicos anteriores, as reparações por soldadura e os sobremetais desiguais podem persistir durante o tratamento térmico e alterar a resposta prevista. O alívio de tensões antes do endurecimento pode reduzir as tensões de maquinação e de fabrico que, de outro modo, se combinariam com as tensões de têmpera. Uma operação de alívio de tensões após a têmpera pode reduzir o risco de empeno em aços adequados, mas não constitui uma solução universal. O material do NIST *Metallurgy of Heat Treatment* regista que as tensões de têmpera não aliviadas podem provocar empeno durante a maquinação quando a remoção de material perturba o equilíbrio das tensões residuais. Assim, o plano do processo deve incluir a medição das dimensões críticas após cada operação principal, e não apenas na inspeção final. A combinação correta de geometria, composição química do aço, temperabilidade, tamanho da secção, microestrutura necessária, meio de têmpera, dispositivo, orientação e programa de alívio de tensões deve ser estabelecida para o componente e o equipamento específicos. A modelação pode ajudar a relacionar a transferência de calor, a transformação de fases, a tensão, a deformação e a evolução microestrutural, conforme descrito pelo Worcester Polytechnic Institute, mas os ensaios industriais e a medição dimensional continuam a ser necessários, porque a disposição da carga e o historial do material determinam frequentemente se a deformação prevista é compatível na prática. ## 15. Considerações relativas à classe, à norma e à especificação do processo ### Por que razão a designação da classe, por si só, não prevê a distorção Uma classe de aço identifica a composição e, em algumas normas, estabelece limites para as propriedades mecânicas, a limpeza, a condição de fornecimento ou a temperabilidade. Não prescreve a forma final de um componente após o tratamento térmico. Duas peças fabricadas com a mesma classe podem desenvolver alterações dimensionais diferentes, porque a sua geometria, espessura da secção, microestrutura inicial e sequência de maquinagem são diferentes. Um veio longo e esbelto, um cubo espesso e uma chapa fina não experienciam a mesma história térmica durante a têmpera. As superfícies arrefecem a velocidades diferentes dos núcleos, e os cantos, furos, rasgos de chaveta e alterações bruscas de secção concentram as deformações térmicas e de transformação. Uma peça nominalmente uniforme pode, por conseguinte, conter regiões de tensões residuais de tração e de compressão que se equilibram internamente, mas que ainda assim provocam flexão, ovalização ou movimentos locais quando é removido material. A designação do material também não indica a sua temperabilidade efetiva sob um determinado ciclo de forno e têmpera. A composição da liga afeta a resposta de transformação tempo-temperatura, mas o mesmo acontece com o tamanho do grão de austenite, a condição prévia de ferrite-perlite ou bainite, a segregação, a distribuição de carbonetos e a deformação a frio anterior. Um aço fornecido no estado normalizado não responderá exatamente da mesma forma que a mesma classe fornecida no estado temperado e revenido. A história de fundição pode acrescentar porosidade, segregação e tensões preexistentes; o trabalho técnico da University of Iowa sobre peças de aço vazadas salienta que essa história deve ser incluída na previsão das dimensões finais e das tensões residuais. A revisão de 2022 publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, “Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review”, descreve o resultado como uma interação entre a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera. Esse é o enquadramento correto do ponto de vista da engenharia. A ASM International também distingue as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento na sua discussão sobre aços temperados e revenidos no *ASM Handbook*. Estas tensões estão associadas à distorção: as deformações de transformação podem desencadear escoamento plástico, enquanto os gradientes térmicos podem alterar o momento e o local de formação de martensite, bainite ou perlite. Uma designação como **42CrMo4** segundo a **EN 10083-3**, ou **AISI 4140** segundo uma especificação ASTM ou SAE aplicável, deve, portanto, ser registada exatamente conforme especificado, mas não deve ser tratada como uma garantia contra a distorção. As designações informais e os nomes comerciais podem ocultar diferenças nos limites de composição química, na forma do produto, na condição de fornecimento e na temperabilidade exigida. A norma é importante; o certificado efetivo do material também. ### Especificações para endurecimento integral e endurecimento superficial Um requisito de endurecimento integral deve indicar mais do que “temperar e revenir”. Deve identificar a temperatura de austenitização ou o intervalo permitido, o método de aquecimento, o critério para o tempo de manutenção, o tempo de transferência, o meio de têmpera, a agitação, a temperatura de têmpera, a temperatura de revenido, o tempo de revenido e a dureza ou microestrutura exigida em locais definidos. A dimensão da secção deve acompanhar o requisito, porque um objetivo de dureza medido junto da superfície diz pouco sobre o centro de uma secção de grandes dimensões. Um aço de elevado teor de carbono ou um aço ligado pode formar martensite ao longo de uma secção pequena, mas apenas uma estrutura mista no centro de uma secção espessa. Essa diferença altera tanto a variação de volume como o desenvolvimento de tensões. Uma têmpera suficientemente severa para atingir o objetivo de dureza no núcleo pode aumentar os gradientes de temperatura entre a superfície e o núcleo, o risco de fissuração e a distorção. Uma têmpera mais branda ou interrompida pode reduzir os gradientes, mas não atingir o intervalo de transformação especificado. A especificação deve abordar essa relação de compromisso, em vez de atribuir a responsabilidade à designação da classe. O endurecimento superficial introduz variáveis adicionais. A cementação, a carbonitruração, a nitruração e o endurecimento por indução produzem uma camada endurecida sobre uma estrutura de núcleo diferente; por isso, devem ser especificados a profundidade da camada, a condição de carbono ou azoto à superfície, o limite de austenite retida, a dureza do núcleo e o perfil de transição. A literatura do *International Journal of Materials and Product Technology* identifica o endurecimento superficial e o endurecimento da camada como fatores que contribuem para as tensões residuais, juntamente com as condições do meio de têmpera e a retificação final. Uma engrenagem cementada pode sofrer distorção devido à transformação da camada, à transformação do núcleo, à geometria dos dentes e à exposição térmica associada à cementação, mesmo quando a sua classe de base permanece inalterada. No endurecimento por indução ou por chama, a frequência, a densidade de potência, a velocidade de varrimento, a sobreposição, a disposição da pulverização e a temperatura inicial podem alterar a zona aquecida e a sequência de transformação. Na nitruração, o requisito relativo à camada de compostos e a dureza da zona de difusão podem controlar o crescimento dimensional de forma diferente da de uma camada martensítica. A austenite retida também é relevante: uma transformação posterior durante o serviço, o revenido, a retificação ou o armazenamento pode alterar as dimensões após a têmpera inicial. As orientações da ASM relativas à conceção de tratamentos térmicos identificam a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios primários de conceção, e não como questões de inspeção a tratar apenas após o processamento. A discussão de 2005 no IJMPT sobre gradientes térmicos não uniformes identifica-os como uma fonte principal de distorção durante a têmpera. Consequentemente, a geometria, a fixação, a disposição da carga, o movimento do meio de têmpera e a orientação da peça devem constar da especificação do processo sempre que afetem a uniformidade do arrefecimento. ### Registo da condição completa do tratamento térmico Um registo útil estabelece a ligação entre a especificação do material e a história térmica e mecânica efetiva. No mínimo, deve identificar a norma e a designação da classe, a forma do produto, o número da corrida ou da vazada, a condição de fornecimento, a dimensão da secção e qualquer requisito de temperabilidade especificado. Deve depois registar o ciclo completo: tipo de forno e atmosfera, disposição da carga, etapas de pré-aquecimento, temperatura de austenitização, tempo à temperatura, atraso na transferência, identificação e concentração do meio de têmpera, temperatura do banho, agitação ou caudal, método de interrupção e programa de revenido. O registo deve também definir o que significa obter um resultado satisfatório. As localizações das medições de dureza, a microestrutura do núcleo e da superfície, a profundidade da camada, o limite de austenite retida, a retilineidade, a circularidade, o desvio radial, a planeza e a alteração dimensional admissível devem poder ser medidos com base em critérios estabelecidos. Sempre que possível, a inspeção antes e depois do tratamento deve utilizar os mesmos referenciais, porque a alteração dos referenciais pode confundir os movimentos resultantes do tratamento térmico com erros de maquinagem. A sequência de maquinagem deve fazer parte do registo. *Metallurgy of Heat Treatment*, arquivado pelo National Institute of Standards and Technology, observa que as tensões de têmpera não aliviadas podem causar empeno quando a maquinagem remove material e perturba o equilíbrio das tensões residuais. A maquinagem de desbaste antes do endurecimento, o alívio de tensões entre operações, a sobremedida destinada à retificação e a direção da retificação final podem, por conseguinte, alterar o resultado observado sem qualquer alteração da classe do aço ou da receita de têmpera. O U.S. Department of Energy refere que as tensões de aquecimento e de têmpera em peças de aço vazadas podem contribuir para a distorção, a fissuração, o retrabalho, a reparação por soldadura, os erros dimensionais e a redução do desempenho em serviço. Um relatório do Worcester Polytechnic Institute trata igualmente a distorção durante a têmpera como um problema acoplado que envolve a transferência de calor, a transformação, as tensões, as deformações e a evolução microestrutural. Os registos do processo devem conservar informação suficiente para comparar essas variáveis de uma carga para a seguinte. Um certificado da classe, por si só, não pode fazê-lo. ## 16. Um Quadro de Diagnóstico para Falhas de Distorção Uma falha de distorção deve ser tratada como um problema relacionado ao historial do processo, e não como prova de que o meio de têmpera foi demasiado severo. A forma final da peça regista vários acontecimentos em simultâneo: aquecimento, expansão térmica, transformação de fase, deformação plástica, têmpera, revenido, maquinagem e, por vezes, rectificação. A tensão residual e a distorção estão interligadas, mas não são idênticas. Uma peça pode cumprir o seu limite dimensional mantendo uma tensão de tracção perigosa, ou pode empenar após a maquinagem, quando a operação de corte liberta um equilíbrio de tensões que permanecera oculto. A primeira tarefa consiste em definir o defeito através de medições. Registe a amplitude e a direcção do empeno, a alteração angular associada à torção, a variação dimensional entre elementos de referência e a localização e orientação de qualquer fissura. Uma descrição baseada numa régua, como “o veio ficou curvado”, é inadequada. Meça o batimento em várias posições, faça um mapa da planeza de toda a superfície e determine se o erro é simétrico em relação ao eixo central da peça. Compare os estados após a têmpera, após o revenido, após a maquinagem em bruto e após a rectificação de acabamento, quando esses registos existirem. A sequência mostra frequentemente em que momento o defeito surgiu. ### Classificação do empeno, da torção, do crescimento e da fissuração O empeno é um erro de curvatura, normalmente produzido quando um dos lados de uma chapa, veio, dente ou viga sofre uma deformação térmica ou de transformação diferente da do lado oposto. Uma grande diferença entre diâmetro e espessura, uma disposição deslocada de furos, uma profundidade de camada desigual ou o contacto com um dispositivo de fixação podem tornar esse desequilíbrio direccional. Um empeno que se inverte quando a peça é virada pode reflectir o apoio de medição ou a gravidade; um empeno que acompanha a mesma característica do material em todas as orientações é mais provavelmente de origem metalúrgica ou geométrica. A torção é diferente. Indica uma variação da deformação em torno da direcção longitudinal ou circunferencial. A distorção helicoidal num veio pode resultar de um escoamento assimétrico do meio de têmpera, de um contacto intermitente com um dispositivo de fixação, de uma profundidade não uniforme da camada cementada ou da libertação de tensões torsionais durante a transformação. Uma peça com rasgos de chaveta, dentes de engrenagem, estrias ou espessuras de parede desiguais é especialmente sensível, porque a sua distribuição de massa altera a velocidade de arrefecimento local. O crescimento ou a contracção devem ser separados nos seus componentes térmico, de transformação e de maquinagem. A formação de austenite provoca geralmente uma variação de volume diferente da formação subsequente de martensite, bainite ou perlite, e a variação dimensional líquida depende do teor de carbono, da composição da liga, da velocidade de arrefecimento e da austenite retida. Por conseguinte, uma engrenagem cementada de SAE 8620 não pode ser avaliada com a mesma expectativa dimensional que um veio de AISI 4140 endurecido em toda a secção. O resultado relevante não é simplesmente “maior” ou “menor”, mas a alteração de cada dimensão controlada e a sua relação com a microestrutura. A fissuração é uma classe de falha distinta, embora as mesmas tensões que provocam a deformação possam contribuir para o seu aparecimento. As fissuras de têmpera seguem frequentemente concentrações de tensão, cantos vivos, rasgos de chaveta, queimaduras de rectificação ou regiões com elevada dureza e baixa tenacidade. A fissuração intergranular ou em rede pode apontar para sobreaquecimento, crescimento excessivo do grão, danos de cementação ou fragilização, e não apenas para uma severidade excessiva da têmpera. Registe a origem, a orientação e a profundidade da fissura, bem como a eventual associação a descarbonização, austenite retida, carbonetos ou danos de rectificação. A inspecção por partículas magnéticas, a inspecção por líquidos penetrantes, as secções metalográficas e o exame da fractura devem responder a diferentes aspectos desta questão. ### Rastreio do historial térmico e de transformação Depois de definir o defeito, faça o seu mapeamento em função da geometria e da distribuição de massa. Assinale paredes finas, ressaltos, nervuras, furos, dentes, cavidades cegas, transições abruptas e secções espessas. Estas características controlam o fluxo de calor e podem produzir diferenças locais no início e no fim da transformação. A revisão de 2022 dos autores de *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review*, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, descreve a transferência de calor, a transformação de fase, a geometria, a espessura da secção, a selecção do meio de têmpera e a severidade da têmpera como variáveis interactivas. Essa interacção deve orientar a investigação. Analise o registo do forno antes de alterar a têmpera. Confirme a temperatura da carga, o tempo de permanência, o potencial da atmosfera, a uniformidade do forno, a localização dos termopares, a massa da carga, a disposição dos tabuleiros e o espaçamento entre peças. Um forno pode cumprir o requisito de uniformidade da câmara vazia, enquanto uma carga densamente acondicionada desenvolve diferenças substanciais de temperatura entre peças e entre a superfície e o núcleo. Compare as peças situadas no topo, no centro e na periferia da carga. Se apenas uma posição produzir o defeito, os indícios apontam para o carregamento ou o escoamento, e não para uma resposta universal do material. Em seguida, reconstrua a têmpera. Registe o tempo de transferência, a temperatura do banho ou do polímero, a agitação ou o movimento dos bicos, a orientação de imersão, o espaçamento entre peças e a possibilidade de formação de mantos de vapor ou bolsas de ar retidas. O *International Journal of Materials and Product Technology* identifica os gradientes térmicos não uniformes como uma fonte principal de distorção de têmpera, enquanto a discussão complementar relaciona a tensão residual com as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e da camada e a rectificação final. As curvas de arrefecimento ou as peças testemunho instrumentadas podem mostrar se a superfície arrefeceu rapidamente enquanto o núcleo permanecia quente, ou se um dos lados recebeu uma transferência de calor mais eficaz. Verifique o resultado do ponto de vista metalúrgico. Os perfis de dureza devem incluir a superfície, a sub-superfície e o núcleo, sempre que o tamanho da secção o permita. Examine o tamanho de grão da austenite prévia, a distribuição de martensite ou bainite, a austenite retida, os carbonetos, a descarbonização, a profundidade da camada e eventuais bandas moles. Um valor de dureza dentro da especificação não prova que a transformação tenha ocorrido de forma uniforme. Numa engrenagem cementada, por exemplo, meça a profundidade da camada em vários dentes e ao longo da circunferência, em vez de se basear numa única secção. A medição da tensão residual é justificável quando a libertação dimensional, a fissuração, o desempenho à fadiga ou os movimentos repetidos durante a maquinagem não podem ser explicados apenas pela geometria e pela dureza. A difracção de raios X pode caracterizar a tensão próxima da superfície; o método de perfuração de um furo fornece um perfil a pequena profundidade; os métodos baseados em neutrões ou em radiação de sincrotrão podem examinar regiões mais profundas, quando disponíveis. Interprete todos os resultados tendo em conta a profundidade e a direcção de medição. Um valor de compressão à superfície não exclui a existência de tensão de tracção abaixo da camada ou numa zona de transição. ### Acções correctivas sem alterar cegamente uma única variável Compare várias peças defeituosas e bem-sucedidas, e não apenas uma falha particularmente impressionante. Relacione cada peça com a sua posição no forno, o número de corrida do aço, o percurso de maquinagem anterior, o lote de têmpera, o ciclo de revenido e o resultado da inspecção. Analise o historial da produção siderúrgica e da fundição quando for relevante: a segregação, a porosidade, a redução de forjamento anterior, a reparação por soldadura ou a remoção desigual de sobremetal podem influenciar tanto o fluxo de calor como o campo de tensões residuais. Os relatórios do U.S. Department of Energy e da University of Iowa sobre peças fundidas de aço relacionam as tensões de aquecimento e de têmpera com a distorção, a fissuração, o retrabalho, a reparação por soldadura e o desempenho em serviço, salientando que o historial da fundição deve ser incluído nas previsões dimensionais. A acção correctiva deve alterar um conjunto controlado de variáveis, preservando simultaneamente um grupo de comparação. Entre as medidas possíveis contam-se melhorar a simetria da carga, adicionar apoios que não restrinjam a transformação, alterar a orientação da peça, aperfeiçoar a prática de austenitização, aplicar um pré-aquecimento adequado, modificar a agitação ou a temperatura do meio de têmpera, introduzir uma têmpera interrompida ou alterar o ciclo de revenido. Nenhuma opção deve ser seleccionada apenas com base nos dados de distorção; posteriormente, devem ser verificadas a dureza, a microestrutura, a inspecção de fissuras e a tensão residual. Alterar apenas a severidade do meio de têmpera pode trocar o empeno por fissuração ou reduzir um erro dimensional enquanto aumenta a austenite retida e o crescimento posterior. Um arrefecimento mais lento pode reduzir os gradientes térmicos, mas permitir a formação de produtos de transformação mais moles; um arrefecimento mais rápido pode melhorar a resposta à têmpera, aumentando simultaneamente a tensão de transformação. Como explica o relatório do Worcester Polytechnic Institute, a distorção de têmpera resulta do acoplamento entre transferência de calor, transformação de fase, tensão, deformação e evolução microestrutural. Um diagnóstico sólido deve, por isso, seguir toda a cadeia e, em seguida, alterar o processo no ponto em que os indícios identifiquem o desequilíbrio determinante. ## 17. Distinções fundamentais e equívocos comuns A distorção resultante do tratamento térmico e a tensão residual estão relacionadas, mas não são descrições intercambiáveis da mesma condição. Uma peça pode apresentar pouca alteração mensurável da forma, mantendo simultaneamente uma tensão interna substancial; ou pode distorcer-se após a maquinação, embora a tensão original não fosse visível à superfície. A avaliação correta deve considerar as fontes de deformação: gradientes térmicos, transformações de fase, deformação plástica, geometria, espessura da secção, historial do material e processo de têmpera. A publicação da ASM International, *Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels*, identifica as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento como contribuintes distintos. A revisão de 2022, “Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels”, publicada no *Journal of Materials Engineering and Performance*, considera igualmente a transferência de calor, a transformação de fase, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera como variáveis interativas, e não como causas isoladas. ### Distorção não é sinónimo de tensão residual A distorção é uma alteração das dimensões ou da geometria de uma peça: um veio flete, um anel torna-se oval, uma placa desenvolve um empenamento em forma de prato ou um furo desloca-se da posição prevista. A tensão residual é um campo de tensões internas que permanece depois de serem removidas as cargas externas e as diferenças de temperatura. Pode ser de tração numa região e de compressão noutra, equilibrando-se no interior do componente sem produzir uma alteração evidente das suas dimensões globais. As duas condições ficam interligadas quando a tensão residual provoca deformação plástica. Durante a têmpera, a superfície arrefece e contrai-se antes de o núcleo, mais quente, poder contrair-se com ela. Se a tensão local exceder o limite de elasticidade dependente da temperatura, permanece uma deformação permanente. Posteriormente, a transformação martensítica altera novamente esse equilíbrio, porque a martensite ocupa um volume superior ao da austenite de origem. Assim, uma peça pode sair da têmpera com uma forma alterada e, simultaneamente, com um campo de tensões autoequilibrado. Um resultado de dureza não resolve esta distinção. Uma engrenagem de AISI 8620 cementada pode cumprir a dureza superficial especificada e, ainda assim, manter um erro de flexão, austenite retida ou um gradiente de tensões subsuperficial prejudicial. Um veio de AISI 4140 pode atingir a dureza exigida após têmpera em óleo e revenido, mas deslocar-se quando se maquinam um rasgo de chaveta ou uma sobremedida. *Metallurgy of Heat Treatment*, preservada no arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology, descreve especificamente o empenamento durante a maquinação quando a remoção de material perturba o equilíbrio das tensões residuais. A difração de raios X à superfície ou as medições pelo método do furo também apresentam limitações. Descrevem uma região próxima da superfície e não, automaticamente, o estado de tensão em todo o núcleo. Poderão ser necessárias a difração de neutrões, os métodos de contorno, o seccionamento ou modelos de processo validados quando um forjamento espesso, uma peça fundida ou um componente cementado apresenta um gradiente de tensões acentuado. O valor medido à superfície pode até ter sinal oposto ao do valor no núcleo. ### A têmpera não é a única fonte de alterações dimensionais A têmpera é frequentemente responsabilizada porque as suas alterações de temperatura são rápidas, mas a alteração dimensional começa antes de a peça entrar no meio de têmpera. O aquecimento pode libertar tensões de maquinação, alterar a distribuição dos carbonetos e produzir uma expansão não uniforme. Uma peça fundida pode já conter tensão residual resultante da solidificação, de um arrefecimento desigual, de pontos quentes, de alimentadores, de reparações por soldadura ou de uma maquinação grosseira. Os relatórios do U.S. Department of Energy e da University of Iowa sobre peças fundidas de aço relacionam estas tensões térmicas e residuais com distorção, fissuração, retrabalho, reparações por soldadura, erros dimensionais e redução do desempenho em serviço. O historial de fundição deve, por conseguinte, ser incluído em qualquer previsão das dimensões finais. A deformação de transformação não se limita à martensite. A perlite, a bainite, a ferrite e a martensite formam-se em intervalos de temperatura diferentes e apresentam volumes específicos distintos. Pode ocorrer plasticidade de transformação quando uma alteração de fase se processa sob tensão, permitindo uma deformação sob tensões inferiores ao limite de elasticidade normal. A austenite retida pode transformar-se posteriormente durante o revenido, a refrigeração, a aplicação de cargas em serviço ou o aquecimento provocado pela retificação, causando uma expansão adicional ou uma alteração localizada da forma. Nos aços cementados, como AISI 52100 ou AISI 8620, o gradiente de carbono altera a temperabilidade, as temperaturas de transformação, a fração volúmica de martensite e o teor de austenite retida entre a superfície e o núcleo. A geometria controla a forma como estes efeitos se desenvolvem. Uma nervura fina arrefece rapidamente, enquanto um cubo espesso permanece quente; um canto vivo concentra o fluxo de calor e a tensão; um furo altera a área de arrefecimento e o constrangimento em torno da secção. A severidade e a uniformidade da têmpera são importantes, mas também o são a temperatura do meio de têmpera, o seu movimento, a agitação, a orientação da peça, a densidade de carregamento e o comportamento da película de vapor. A revisão de 2022 do *Journal of Materials Engineering and Performance* descreve diretamente estas interações. O relatório do Worcester Polytechnic Institute apresenta a distorção na têmpera como um problema acoplado que envolve transferência de calor, transformação de fase, tensão, deformação e evolução microestrutural. A maquinação e a retificação podem acrescentar uma fase posterior de alteração dimensional. A remoção desigual de sobremetal expõe ou redistribui as tensões, enquanto a retificação pode criar uma camada superficial termicamente afetada e uma tensão associada à transformação, se o calor não for controlado. As Partes I e II da *International Journal of Materials and Product Technology* identificam os gradientes térmicos não uniformes como uma fonte principal de distorção na têmpera e discutem as condições do meio de têmpera, o endurecimento superficial e de camada, a austenite retida e a retificação final. ### O alívio de tensões não garante a estabilidade dimensional O revenido reduz algumas das tensões resultantes da têmpera e altera a estrutura martensítica, mas não elimina todos os componentes de tensão nem garante que as dimensões permaneçam fixas. O resultado depende da temperatura e do tempo de revenido, da uniformidade do aquecimento e do arrefecimento, da espessura da secção, da composição da liga, da transformação anterior e da quantidade de austenite retida. Um revenido a baixa temperatura pode deixar uma tensão substancial; um tratamento a temperatura mais elevada pode desencadear recuperação adicional, precipitação de carbonetos ou transformação de austenite instável. O alívio mecânico de tensões apresenta uma limitação semelhante. O tratamento vibratório, o estiramento ou os ciclos térmicos controlados podem redistribuir a tensão sem corrigir uma geometria inadequada, uma microestrutura não uniforme ou um defeito de fundição. O alívio de tensões pode também revelar um movimento que anteriormente se encontrava restringido. A publicação da ASM International, *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel*, identifica a minimização da distorção e das tensões residuais indesejáveis como critérios fundamentais de projeto, e não como resultados que decorram automaticamente do cumprimento da dureza. A estabilidade dimensional exige controlo e verificação do processo: medir antes e depois do tratamento térmico, inspecionar as características geométricas críticas, considerar a sequência de maquinação, examinar a austenite retida quando pertinente e selecionar métodos de medição de tensões que representem a profundidade e a geometria da peça. Um perfil de dureza constitui uma evidência útil da transformação, mas não demonstra que todo o campo de tensões ou a forma final sejam aceitáveis. ## 18. Tabelas de Referência e Lista de Verificação Prática Os registos do tratamento térmico devem ser interpretados como uma cadeia de causas, e não como valores isolados do forno e da têmpera. A ASM International distingue as tensões residuais térmicas, de transformação e de endurecimento, enquanto a revisão de 2022 do *Journal of Materials Engineering and Performance* descreve a transferência de calor, a transformação de fases, a geometria, a espessura da secção, a seleção do meio de têmpera e a severidade da têmpera como variáveis interativas. Por conseguinte, uma peça pode atingir o objetivo de dureza e, ainda assim, sofrer movimentação durante a maquinagem, a retificação ou o serviço. ### Tabela de mecanismos e sintomas | Mecanismo ou condição | Observação provável | O que verificar antes de atribuir a causa | |---|---|---| | Arrefecimento desigual da superfície, agitação interrompida ou diferenças locais na espessura da secção | Empeno, torção, ovalização, conicidade ou deformação não uniforme após a têmpera | Orientação da peça, carregamento do suporte, escoamento do meio de têmpera, comportamento da película de vapor, transições bruscas, furos e alterações de secção de fina para espessa | | Contração térmica que ocorre antes de o núcleo ter arrefecido | Tensão superficial de tração, tensão de compressão no núcleo, alteração dimensional ou cedência localizada | Histórico de temperatura ao longo da secção, coeficientes de transferência de calor e se a peça estava restringida | | Deformação de transformação resultante da formação de martensite, bainite ou perlite a partir da austenite | Crescimento, contração, alteração do diâmetro do furo, alteração do comprimento ou alteração da forma que não é explicada apenas pela contração térmica | Qualidade do aço, teor de carbono e de elementos de liga, temperabilidade, sequência de transformação, velocidade de arrefecimento e temperaturas de início da transformação | | Tempos de transformação diferentes na superfície e no núcleo | Flexão, deformação em torno de ressaltos, gradientes de tensão residual ou movimentação retardada durante o revenido | Espessura da secção, profundidade da camada, microestrutura do núcleo, austenite retida e uniformidade da temperatura | | Elevada severidade da têmpera ou diferença excessiva de temperatura | Fissuras de têmpera, fissuras nos cantos, fissuras de retificação ou falha súbita durante a inspeção | Tipo, temperatura e concentração do meio de têmpera, movimento, tempo de transferência, limpeza da peça e raios dos cantos | | Redistribuição das tensões residuais durante a remoção de material | Uma face maquinada movimenta-se, um furo fecha ou abre, ou uma peça anteriormente direita curva-se | Material removido de cada lado, sobremetal de desbaste, tratamento de alívio de tensões e ordem das operações | | Transformação da austenite retida após a têmpera | Crescimento dimensional retardado, variação da dureza ou movimentação durante o revenido, o tratamento subzero ou o serviço | Temperatura final da têmpera, teor de elementos de liga, ciclo de revenido, medição da austenite retida e tempo decorrido | | Calor localizado de retificação ou remoção excessiva de sobremetal | Queimadura de revenido, tensão superficial de tração, fissuras de retificação ou conicidade dimensional | Especificação do rebolo, intervalo de dressagem, fornecimento de refrigerante, tempo de contacto, passagem sem avanço e inspeção de queimaduras | | Histórico de fundição, forjamento, soldadura ou maquinagem anterior | Deformação que varia entre peças nominalmente idênticas | Microestrutura inicial, segregação, inclusões, alívio de tensões anterior, endireitamento e certificados do material | Esta tabela é um auxiliar de diagnóstico, não um substituto da análise metalográfica ou de um histórico térmico medido. O arrefecimento não uniforme aponta mais diretamente para o empeno, a deformação de transformação para o crescimento ou a alteração da forma, e a redistribuição das tensões residuais para a movimentação durante a maquinagem. Uma tensão térmica ou de transformação excessiva aumenta o risco de fissuração, mas a fissuração também depende de defeitos, geometria, estado da superfície e sensibilidade à fratura do aço. ### Lista de verificação dos registos do processo #### Elementos essenciais do registo do processo - **Material** Registe a designação exata, a forma do produto, o número da corrida ou da fundição, a composição química e a condição anterior. - **Geometria** Registe a espessura da secção, as transições, os furos, os boleados, as referências de medição e a sobremedida de maquinagem. - **Aquecimento** Registe o forno, a disposição da carga, a atmosfera, as etapas de pré-aquecimento, a rampa e a condição de austenitização. - **Têmpera** Registe o meio, a temperatura, a concentração ou viscosidade, a agitação, a orientação e o atraso da transferência. - **Acabamento** Registe o revenido, a remoção de sobremetal por maquinagem, as condições de retificação e as etapas de inspeção. Registe o estado do material antes de selecionar uma explicação relacionada com o tratamento térmico. Identifique exatamente a designação fornecida, como AISI 4140, ASTM A681 D2 ou ASTM A295 52100, e registe a norma de produto aplicável, o número de vazamento, a análise química, o estado anterior recozido ou normalizado, o tamanho de grão, a segregação, as inclusões e o trabalho a frio anterior. Uma qualidade nominal, por si só, é insuficiente ao comparar resultados de diferentes fornecedores ou normas. Quanto à geometria, preserve a revisão do desenho e meça as dimensões gerais, as espessuras das secções, as relações comprimento/diâmetro, a espessura das paredes, os furos, as chavetas, as roscas, os filetes, as ranhuras, os cantos vivos, a assimetria, o sistema de referências e o sobremetal de maquinagem. Registe se a peça foi forjada, laminada, fundida, soldada ou montada antes do tratamento térmico. O relatório técnico da University of Iowa sobre peças fundidas de aço demonstra por que razão o histórico de fundição deve permanecer incluído na avaliação das dimensões finais e das tensões residuais. Os registos do aquecimento devem incluir a identificação do forno, o estado de calibração, a massa da carga, o padrão de carregamento, os pontos de apoio, a atmosfera ou o nível de vácuo, as etapas de pré-aquecimento, as velocidades de aquecimento, o tempo de recuperação do forno e as medições da temperatura da peça, quando disponíveis. Para a austenitização, registe a temperatura-alvo, o tempo à temperatura, a equalização estimada ou medida do núcleo, o potencial de carbono, quando aplicável, a composição da atmosfera, o estado da superfície e se a cementação, a carbonitruração, a nitruração ou o processamento em vácuo precederam a têmpera. Os registos da têmpera devem incluir mais do que o nome do meio. Registe a composição do óleo, da água, do polímero, da salmoura, do gás ou do banho de sais; a temperatura do meio de têmpera; a concentração ou viscosidade; a velocidade e a direção da agitação; a uniformidade do escoamento; o atraso na transferência; a disposição da carga; a orientação de imersão; e qualquer interrupção ou atraso. Os artigos da *International Journal of Materials and Product Technology* identificam o estado do meio de têmpera, a severidade da têmpera, o endurecimento superficial e de camada e a retificação final como fatores relevantes para as tensões residuais. Para o revenido, registe o tempo de transferência desde a têmpera, a temperatura de revenido, a duração à temperatura da peça, o número de ciclos, a uniformidade do forno, o método de arrefecimento e qualquer tratamento criogénico ou de estabilização. Meça a dureza por localização, em vez de depender apenas de uma leitura numa superfície. Inclua as medições dimensionais antes do tratamento térmico, após a têmpera, após o revenido, após a maquinagem de desbaste, após a maquinagem de acabamento e após a retificação. Os registos de maquinagem devem identificar as alterações de referências, o material removido em cada operação, as forças de aperto, a deformação provocada pela fixação, a trajetória da ferramenta e o tempo entre o desbaste e o acabamento. Os registos de retificação devem incluir o tipo de rebolo, o intervalo de dressagem, o avanço radial, a velocidade transversal, o refrigerante, a passagem sem avanço e as verificações da temperatura da superfície ou de queimaduras. A inspeção deve abranger o mapeamento da dureza, as referências dimensionais, a retilineidade, a circularidade, o desvio radial, as fissuras superficiais, os resultados do ensaio por partículas magnéticas ou por líquidos penetrantes, a austenite retida, quando relevante, e as medições das tensões residuais quando o risco as justificar. Os dados de entrada da simulação devem especificar a composição química ou a qualidade do aço, os dados de transformação de fases, as propriedades dependentes da temperatura, o calor latente, os dados constitutivos elasto-plásticos, a deformação de transformação, a cinética de transformação, a temperabilidade, a microestrutura inicial, as condições de contacto, o comportamento de transferência de calor do meio de têmpera, a agitação, a restrição imposta pelo dispositivo de fixação, a sensibilidade à malha, bem como a geometria real do forno e da carga. Um modelo que omita a deformação de transformação pode prever o arrefecimento, mas não detetar a principal fonte da alteração da forma. ### Perguntas para interpretar dados publicados Pergunte primeiro que aço e que estado do produto foram testados. “Aço-ferramenta” pode significar ASTM A681 D2, AISI H13 ou outro material com temperabilidade e comportamento de transformação diferentes. O provete era uma amostra fina, um anel, uma engrenagem, uma peça fundida ou uma barra forjada? A espessura da secção e a geometria podem alterar o gradiente de temperatura o suficiente para inverter o efeito aparente de uma determinada condição de têmpera. Em seguida, pergunte se a temperatura indicada é a temperatura do forno, da superfície ou do núcleo. A agitação do meio de têmpera foi medida ou apenas descrita como “moderada”? A concentração, a viscosidade, a temperatura do banho, o tempo de transferência e a disposição da carga foram controlados? Sem esses pormenores, um valor numérico de deformação não é transferível. Verifique o método de medição e o sistema de referências. Uma alteração do comprimento comunicada pode incluir recuperação elástica, libertação da fixação, transformação da austenite retida ou uma referência de medição diferente da do desenho de produção. Determine se o resultado foi obtido após a têmpera, após o revenido, após a maquinagem ou após a retificação. Por fim, separe a evidência da recomendação. Um resultado da revisão de 2022 *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* fundamenta o raciocínio sobre processos acoplados; não estabelece uma severidade universal da têmpera nem uma deformação admissível universal. Nenhum limite numérico de deformação ou condição universal de processo deve ser transferido entre componentes sem validar a qualidade do aço, a norma, a geometria, o equipamento e o histórico do tratamento térmico. **Referência compacta:** arrefecimento não uniforme → empeno; deformação de transformação → crescimento ou alteração da forma; redistribuição das tensões residuais → movimentação durante a maquinagem; tensão térmica ou de transformação excessiva → risco de fissuração. Estas relações são sustentadas pela ASM International, pela revisão de 2022 do *Journal of Materials Engineering and Performance*, pelo relatório da Worcester Polytechnic Institute sobre transferência de calor acoplada e alteração microestrutural, pelo arquivo de dados de materiais do National Institute of Standards and Technology e pelos estudos da *International Journal of Materials and Product Technology*. ## Referências 1. \[1\] Authors in the review. [Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x). Journal of Materials Engineering and Performance, 2022. [](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#wiki-cite-ref-1) https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x 2. \[2\] Authors of the IJMPT discussions. [Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II](). International Journal of Materials and Product Technology, 2005. [](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#wiki-cite-ref-2) https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941; https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 3. \[3\] Worcester Polytechnic Institute report authors. [Distortion and Residual Stress](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf). Worcester Polytechnic Institute report, 2021. [](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#wiki-cite-ref-3) https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf 4. \[4\] Authors of Metallurgy of Heat Treatment. [Metallurgy of Heat Treatment](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf). National Institute of Standards and Technology materials-data archive. [](/pt/wiki/tratamento-t%C3%A9rmico/distor%C3%A7%C3%A3o-provocada-pelo-tratamento-t%C3%A9rmico-e-tens%C3%B5es-residuais-no-a%C3%A7o#wiki-cite-ref-4) https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf **Numa perspetiva geral** Principais fontes de tensões residuais Tensões térmicas, de transformação e de endurecimento Principais modos de distorção Arqueamento, flexão, torção, ovalização, conicidade, crescimento e contração Principais variáveis do processo Gradientes de temperatura, mudanças de fase, geometria, espessura da secção e severidade da têmpera [Voltar a Tratamento térmico](/pt/wiki/tratamento-térmico "Tratamento térmico — Steel Wiki")