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A realização dos tratamentos de têmpera e revenimento produz a microestrutura de martensita revenida, que proporciona a melhor combinação de resistência mecânica/dureza e tenacidade.
A têmpera, produzindo martensita, leva à obtenção de resistência mecânica/dureza bem mais alta do que a obtida por normalização (microestrutra ferrítico-perlítica fina), mas as tensões associadas à transformação martensítica podem causar trincas e distorções no aço temperado e assim, logo após a têmpera o aço deve ser revenido, pois embora a resistência mecânica/dureza caia um pouco, mas não muito, devido à difusão dos átomos de carbono para fora da martensita, assim um pouco empobrecida, as tensões são eliminadas, resultando em considerável ganho de tenacidade, além de evitar trincas e distorções.
Temperabilidade
Temperabilidade é um conceito importante e consiste na capacidade do aço sofrer transformação martensítica (têmpera) após ser resfriado rapidamente num determinado meio a partir do campo austenítico.
Depende muito da composição química: enquanto aços com teores de carbono e de outros elementos de liga relativamente baixos só temperam em água, outros um pouco mais ligados temperam ao ar, enquanto alguns muito ligados (ex.: aços-ferramenta) temperam ao ar. O carbono endurece a martensita, enquanto os demais elementos de liga retardam a transformação difusional em ferrita e cementita, favorecendo a transformação martensítica.
Depende também do tamanho de grão austenítico (maior: menos contornos: menor área para nuclear ferrita e cementita: favorece formação de martensita) e da homogeneidade da austenita (mais homogênea: sem carbetos: dificulta a nucleação da ferrita e da cementita).
Resfriamento na Têmpera
Dois fatores influenciam a velocidade com a qual as diferentes posições na peça resfriam:
• Velocidade de extração do calor na superfície da peça: é função do meio de têmpera selecionado.
• Transmissão de calor por condução dentro da peça: é influenciada pela geometria da peça: dimensões e forma.
Em função disso podem se formar diferentes microestruturas na superfície e no interior da peças.
Ensaios de Temperabilidade
Existem dois métodos para ensaio de temperabilidade: Grossmann (o mais antigo) e Jominy (mais simples e mais comumente empregado).
Ensaio Grossmann: Barras de aço com diferentes diâmetros são temperadas e o perfil de dureza ao longo do diâmetro da barra é medido. A dureza no centro das barras é apresentada num único gráfico, onde o diâmetro crítico (50 HRC ou 50 % de martensita) é determinado para um dado meio de têmpera.
Assim, barras com diferentes diâmetros são temperadas e a dureza varia com o meio de têmpera , a posição ao longo do diâmetro e com os diferentes diâmetros.
Ensaio Jominy
Neste método um único corpo de prova cilíndrico é temperado em uma das extremidades, gerando uma ampla gama de variação de velocidades de resfriamento ao longo da altura do cilindro, resultando em diferentes microestruturas e durezas nestas regiões distintas.
Assim, obtém-se diferentes velocidades de resfriamento nas diferentes distâncias da extremidade.
Revenimento
Em decorrência da têmpera (transformação martensítica) no aço as tensões residuais são excessivas e a ductilidade e a tenacidade são muito baixas para permitir seu uso na maioria das aplicações, sendo necessária a realização de um tratamento térmico denominado revenimento (ou revenido), que altera a microestrutura e alivia as tensões decorrentes da têmpera, consistindo no aquecimento a temperaturas inferiores a Ac1, com o objetivo de aumentar a ductilidade e a tenacidade e ajustar a resistência mecânica para o nível desejado, além de aliviar tensões.
Transformações no Revenimento
A martensita resultante da têmpera é metaestável. O aquecimento abaixo da zona crítica (abaixo de Ac1) favorece a transformação da martensita em fases mais próximas do equilíbrio, eventualmente até ferrita + cementita/carbonetos.
Isso leva à redução de dureza/resistência mecânica e ao aumento da ductilidade/tenacidade.
Em alguns casos: aços ferramenta: precipitação de carbonetos no revenido aumenta a dureza: endurecimento secundário.
O aumento de tenacidade não é linear: numa determinada faixa de temperaturas ocorre redução da tenacidade: fragilização de revenido.
Estágios das Transformações no Revenimento
• Até cerca de 100 ºC: redistribuição dos átomos de carbono.
• 100 a 300 ºC: precipitação de carbonetos. Nos aços de alto C: além dos carbonetos ε também os carbonetos χ.
• 200 a 300 ºC: austenita retida em aços de médio e alto carbono se decompõe: precipitação de carbonetos na austenita, reduzindo seu teor de carbono em solução e viabilizando a formação de martensita no resfriamento pós-revenimento.
• Acima de cerca de 300 ºC: inicia-se a recuperação e a recristalização da martensita, com a eliminação de discordâncias, combinado com o crescimento e a esferoidização das partículas de cementita, resultando em queda de dureza/resistência mecânica.
• Entre 500 e 650 ºC: precipitação de carbetos de elementos de liga (V4C3, Mo2C e etc), aumentando a dureza/resistência mecânica.
A maior parte destes processos não pode ser observada em microscópio ótico, que permite apenas verificar o aumento da velocidade de ataque metalográfico à medida que os carbonetos se precipitam,e eventualmente coalescem, se o revenimento for longo.
Fragilização no Revenimento
Há diversos tipos de fragilização no revenimento, mas dois se destacam. O mais comum (lado esquerdo da figura a seguir) ocorre para um grande número de aços usados em construção mecânica e se caracteriza por uma faixa mais estreita de temperaturas de revenimento (250 a 400 ºC) onde ocorre a fragilização, a qual deve ser evitada.
No segundo tipo, que ocorre na faixa de 250 a 570 ºC), recomenda-se revenir acima de 600 ºC. O resfriamento pós-revenido deve ser rápido para minimizar a permanência na faixa de temperaturas de fragilização.
Austenita Retida e Duplo Revenimento
À medida que aumenta o teor de carbono do aço, diminuem as temperaturas Mi e Mf, aumentando assim a tendência à formação de austenita retida como consequência da têmpera.
Durante o revenimento pode ocorrer a precipitação de carbetos na austenita retida, reduzindo o teor de carbono desta, e assim aumentando Mi e Mf. No resfriamento pós-têmpera pode ocorrer a transformação da austenita retida em martensita, exigindo novo revenimento.
Duplo Revenimento
Recomenda-se o duplo revenimento para aços ferramenta e aços de alto teor de carbono em geral, com o objetivo de garantir tenacidade e estabilidade dimensional.
Não é fácil detectar austenita retida. O método mais confiável consiste em analisar o maço por difração de raios X, complementada por ensaios de dureza. Assim é possível detectar frações volumétricas de austenita retida superiores a 5 %. Ataques metalográficos coloridos também podem determinar a presença de austenita retida.
