Atlas de Tratamentos Térmicos & Termoquímicos

Cinética: curvas TTT/CCT e temperabilidade

O diagrama Fe-C diz o que é estável; as curvas TTT/CCT dizem quanto tempo cada transformação leva. É aqui que se decide, na prática, se uma peça vira perlita, bainita ou martensita — e se o meio de têmpera escolhido dá conta da seção da peça.

2.1 TTT × CCT — não confunda

• TTT (isotérmico): austenitiza, resfria instantaneamente até uma temperatura e mantém. Mede início/fim da transformação naquela temperatura. Base conceitual da austêmpera e martêmpera.
• CCT (resfriamento contínuo): mede transformações durante resfriamento contínuo — é o que acontece na têmpera real. As curvas CCT ficam deslocadas para baixo e para a direita em relação à TTT do mesmo aço. Para dimensionar têmpera industrial, use CCT.

O ponto mais à esquerda da curva é o nariz (~500–600 °C nos aços C-Mn). Para obter 100 % martensita é preciso "passar pelo nariz" sem tocá-lo — essa é a velocidade crítica de têmpera. Elementos de liga empurram o nariz para a direita: segundos viram minutos, e um aço passa a temperar em óleo, ou até ao ar.

2.2 Simulador didático de transformações — curvas esquemáticas CÁLCULO DIDÁTICO

Escolha o aço (as curvas TTT se reposicionam com a liga — repare no nariz correndo para a direita), o tratamento e o grão. Arraste o tempo ou aperte Reproduzir: a vista ao microscópio mostra os grãos transformando naquele instante, e as frações respondem à curva daquele aço. As trajetórias são esquemáticas, da ordem do meio-raio de uma barra Ø25 mm; não há cálculo de transferência de calor, geometria ou agitação. Ferramenta para entender tendências — para definir ciclo real, use a curva CCT/Jominy da corrida e os dados do fornecedor.

2.3 Temperabilidade: Jominy, Grossmann e severidade H

Temperabilidade é a profundidade até a qual um aço endurece — normalmente definida como a distância onde se obtém 50 % martensita. Dois formalismos clássicos:

• Ensaio Jominy (ASTM A255 / ISO 642): corpo de prova Ø25×100 mm austenitizado e resfriado por jato d'água numa extremidade. Mede-se dureza ao longo do comprimento → curva HRC × distância J (ex.: J = 45 HRC @ 10 mm). Aços "H" (4140H, 8620H) têm banda de temperabilidade garantida por norma.
• Grossmann: diâmetro crítico ideal Dᵢ = maior diâmetro que forma 50 % martensita no centro sob têmpera "infinita". Dᵢ = D_base(%C, grão) × f_Mn × f_Cr × f_Mo × … — fatores multiplicativos por elemento. Mn, Mo e Cr têm fatores altos; por isso pequenas adições rendem muito.

2.4 Quem empurra a curva para a direita

Recozimentos, normalização e alívio de tensões

"Recozer" não é um tratamento — é uma família de tratamentos com objetivos distintos: amolecer para usinar, regenerar estrutura bruta de fusão/forjamento, esferoidizar para conformar, recristalizar após encruamento ou apenas aliviar tensões sem tocar na microestrutura. Especificar o recozimento errado custa horas de forno e propriedades.

3.1 Mapa da família

3.2 Alívio de tensões na prática (o que você especifica em desenho)

• Mecanismo: a tensão residual não pode exceder o limite de escoamento na temperatura do tratamento. A 600 °C o LE do aço C cai para ~1/3 → tensões relaxam por microfluência.
• Parâmetros usuais (aço C-Mn): 590–650 °C, 1 h por polegada de espessura (mín. 1 h), aquecimento/resfriamento ≤ 150–220 °C/h acima de 300–400 °C para não criar novas tensões térmicas.
• Cuidado com aços temperados e revenidos: o alívio deve ficar ≥ 25–50 °C abaixo do último revenido, senão a peça amolece abaixo do especificado.
• Cr-Mo (ex.: 42CrMo4 soldado): atenção à fragilização ao revenido reversível na faixa 450–550 °C (Módulo 4) — atravesse a faixa, não estacione nela.

Têmpera, revenido e os tratamentos isotérmicos

Como regra geral, têmpera sem revenido é uma peça em estado de tensão com alto risco de trincar (exceções existem — algumas condições de fornecimento e sequências específicas —, mas são controladas por procedimento). Este módulo cobre o ciclo completo: austenitização correta, física do resfriamento em líquidos, os quatro estágios do revenido, as duas fragilizações, austenita retida, subzero, martêmpera e austêmpera.

4.1 Austenitização: onde a têmpera é ganha ou perdida

• Hipoeutetoides: Ac3 + 30–50 °C. Abaixo disso sobra ferrita não dissolvida (pontos moles); acima, grão cresce.
• Hipereutetoides e aços-ferramenta: entre Ac1 e Acm (têmpera intercrítica), tipicamente Ac1 + 50–70 °C. Dissolver todos os carbonetos seria um erro: dispararia o C em solução → Ms despenca → austenita retida excessiva + grão grosso. Os carbonetos não dissolvidos ainda ancoram o grão e dão resistência ao desgaste.
• Encharque: regra prática 20–30 min por 25 mm de seção após a peça atingir a temperatura (varia com forno, carga e liga; aços alta liga a vácuo usam patamares de equalização escalonados).
• Atmosfera: ar do forno descarboneta e oxida — para peças acabadas use atmosfera controlada (endogás com potencial C casado ao aço), vácuo ou caixa/pasta protetora. Descarbonetação superficial = dureza baixa na medição e fadiga comprometida.

4.2 Física do resfriamento em líquidos: os 3 estágios

1. Camada de vapor (Leidenfrost): filme de vapor isola a peça — resfriamento lento. Vilão dos pontos moles: o filme colapsa antes em cantos e depois em cavidades.
2. Ebulição nucleada: bolhas se formam e destacam na superfície — é o estágio de máxima extração de calor (pode passar de 1000 °C/s localmente).
3. Convecção: abaixo do ponto de ebulição do meio — resfriamento lento de novo. É aqui que a martensita se forma (abaixo de Ms): convecção lenta = menos distorção.

Agitação, temperatura do banho e aditivos (sais na água, polímero PAG) existem para encurtar o estágio 1 e uniformizar o estágio 2. O óleo de têmpera ideal quebra o filme de vapor rápido, extrai forte no nariz da CCT e resfria devagar na faixa martensítica — exatamente o perfil que a água não tem (água é violenta justamente abaixo de 300 °C, onde mais dói).

4.3 Revenido: os 4 estágios

Martensita como temperada é supersaturada, tensionada e frágil. O revenido troca dureza por tenacidade de forma controlada:

4.4 As duas fragilizações que você precisa evitar

4.5 Curva de revenido e o parâmetro de Hollomon-Jaffe

Tempo e temperatura de revenido são intercambiáveis via P = T·(20 + log t) (T em Kelvin, t em horas): 2 h a 600 °C ≈ 4,5 h a 585 °C. Use P para transpor uma curva de catálogo (frequentemente levantada com tempo fixo — confira no catálogo) para o seu ciclo real. Aços ao C têm curva monotônica decrescente; aços com Mo/V/W/Cr mostram o pico de dureza secundária em 500–560 °C — o H13 sobe de ~52 para ~54 HRC antes de cair.

4.6 Austenita retida e tratamento subzero

• Quando aparece: Mf abaixo da T do banho — aços >0,5 %C, cementados (superfície com ~0,8 %C!), aços-ferramenta alta liga. Cementado típico: 15–30 % γ retida na camada.
• Problemas: dureza 2–5 HRC abaixo do potencial; instabilidade dimensional (γ→α' em serviço = crescimento + tensões — fatal em calibres, rolamentos, moldes de precisão).
• Soluções: subzero convencional (−80 °C, gelo seco/freezer) ou criogênico (−196 °C, N₂ líquido, com taxas lentas), tipicamente entre têmpera e revenido, ou entre 1º e 2º revenidos em alta liga (aços-ferramenta sensíveis a trinca podem usar snap temper — revenido curto de alívio — antes do subzero); ou revenidos múltiplos. Em criogênico profundo de aços-ferramenta há ainda relato de precipitação de carbonetos η finos → +resistência ao desgaste.

4.7 Martêmpera e austêmpera

4.8 Cores de revenido (guia visual de oficina)

Óxidos superficiais de espessura crescente produzem cores de interferência — termômetro visual clássico (aço C, ar, tempos curtos):

Serve como indicativo — nunca como controle de processo. Em Cr alto, as cores deslocam para cima.

Tratamentos termoquímicos

Termoquímicos alteram a composição química da superfície por difusão (C, N, B…), criando o par ideal: casca dura e resistente ao desgaste + núcleo tenaz — e, de quebra, tensões residuais compressivas na superfície, que multiplicam a vida em fadiga. A escolha entre eles é uma decisão de temperatura (distorção!), profundidade, dureza e custo.

5.1 Cementação (carbonetação)

• Princípio: difusão de C em austenita a 880–950 °C em aços baixo C (0,10–0,25 %) de famílias distintas: Ni-Cr-Mo (8620, 18CrNiMo7-6) e Mn-Cr (16MnCr5, 20MnCr5) — não são equivalentes diretos entre si. Superfície atinge 0,7–1,0 %C; têmpera + revenido baixo (150–200 °C) obrigatórios em seguida. Superfície: 58–62 HRC; núcleo: 30–45 HRC.
• Gasosa (padrão industrial): atmosfera endotérmica + gás natural/propano; o potencial de carbono (0,8–1,1 %) é controlado por sonda de oxigênio + analisador de CO. Ciclo boost-diffuse: satura a superfície acima do alvo e depois difunde, achatando o gradiente.
• Baixa pressão (LPC, a vácuo): pulsos de acetileno a ~900–1000 °C + têmpera em gás alta pressão (N₂/He 10–20 bar). Sem oxidação intergranular, peça limpa, menor distorção — padrão crescente em engrenagens de transmissão.
• Sólida (caixa) e líquida (banho de cianeto): legadas; a líquida em extinção por questões ambientais.
• Profundidade de camada (CHD, ISO 18203 / DIN EN ISO 2639): distância da superfície até 550 HV1. Cresce com √t (lei parabólica).

5.2 Nitretação

• Princípio: difusão de N a 500–580 °C — abaixo de A1, sem têmpera posterior e sem transformação de fase → distorção mínima. É o tratamento de acabamento por excelência: a peça entra pronta (temperada e revenida acima da T de nitretação) e sai pronta.
• Estrutura da camada: ① camada branca/composta (5–25 µm de nitretos ε-Fe₂₋₃N e/ou γ'-Fe₄N) — dureza e resistência à corrosão/scuffing, mas frágil se espessa ou bifásica; ② zona de difusão (0,1–0,8 mm) — N em solução + nitretos finos de liga, onde mora a dureza de suporte e a compressão residual.
• Aços adequados: precisam de formadores de nitretos — Cr, Mo, V, Al. Clássicos: 31CrMoV9, 34CrAlNi7 (Nitralloy, até 1100–1200 HV), 42CrMo4 (~600–700 HV), H13 e 1.2714/56NiCrMoV7 (matrizes de forjamento: nitretação eleva vida por desgaste/fadiga térmica). Aço-carbono puro nitretado rende só ~350–450 HV.
• Processos: gasosa (NH₃, 20–100 h, controle por potencial de nitretação K_N, DIN 30902/AMS 2759-10); plasma/iônica (400–560 °C, controle fino da camada branca — inclusive suprimi-la —, ótima p/ furos e geometrias, permite mascaramento mecânico); banho de sal.
• NHD (profundidade de nitretação, DIN 50190-3): até dureza = núcleo + 50 HV.

5.3 Carbonitretação × Nitrocarbonetação — nomes parecidos, mundos diferentes

5.4 Boretação e outros

• Boretação: 850–1000 °C em pó/pasta (B₄C + ativadores). Camada de boretos FeB/Fe₂B, morfologia dente-de-serra, 1400–2000 HV — acima de qualquer nitretação. 20–300 µm. Risco: camada bifásica FeB+Fe₂B trinca por diferença de expansão — especifique monofásica Fe₂B. Uso: desgaste abrasivo severo (roscas transportadoras, bicos, matrizes de extrusão).
• Outros de nicho: vanadização/TD-process (VC, ~3000 HV, ferramentas de estampagem), cromização, aluminização (resistência à oxidação a quente), sherardização (Zn).

5.5 Tabela comparativa — a decisão de engenharia

Endurecimento superficial por aquecimento localizado

Indução, chama, laser e feixe de elétrons austenitizam apenas a casca da peça e temperam em seguida — o próprio núcleo frio pode fazer a têmpera (autotêmpera). Exigem aço com carbono suficiente para endurecer (0,35–0,55 %C): 1045, 4140, 4340, ferros fundidos perlíticos.

6.1 Têmpera por indução

• Física: correntes de Foucault + histerese aquecem a superfície em segundos. O efeito pelicular concentra a corrente numa profundidade δ ∝ 1/√f — a frequência é o seu controle de profundidade.
• Regras de seleção: 450 kHz–1 MHz → 0,25–1 mm (fios, pequenos eixos) · 10–50 kHz → 1–3 mm (eixos, pinos) · 1–10 kHz → 3–8 mm (grandes eixos, cilindros de laminação) · 50–60 Hz (rede) → 8–15 mm.
• Modos: single-shot (bobina envolve, aquece tudo de uma vez) e scanning (bobina + ducha varrem a peça — eixos longos, guias). Têmpera por ducha de polímero integrada.
• Detalhes de especialista: a austenitização é tão rápida (taxas de 100–1000 °C/s) que as temperaturas Ac3 efetivas sobem 50–100 °C acima do equilíbrio — parâmetros de forno não se transferem para indução. A microestrutura de partida importa: estrutura temperada-e-revenida ou normalizada fina responde muito melhor (austenitização homogênea em segundos) do que ferrita+perlita grossa ou esferoidizada. Sempre revenir após (170–200 °C, ou revenido por indução). Zona de transição na borda do padrão endurecido fica em tração residual — não a posicione em concentradores (raios, furos, fundos de canal de chaveta!).

6.2 Chama, laser e feixe de elétrons

Aços, elementos de liga e casos reais

Ler uma composição química e prever o comportamento no tratamento térmico é a marca do especialista. Cada elemento tem dois ou três "empregos" — e efeitos colaterais.

7.1 O papel de cada elemento

7.2 Fichas de tratamento de aços que você encontra todo dia

7.3 Ferros fundidos: o caso ADI

Ferro nodular austemperado (ADI, ASTM A897/A897M — classes e propriedades variam por edição; consulte a vigente): austenitiza 850–950 °C, austêmpera 250–400 °C → ausferrita (ferrita acicular + γ estabilizada em C). Ordem de grandeza do grau básico: ~850 MPa / 10 % along. — resistência de aço forjado com 10 % menos densidade e amortecimento de vibração superior. Usado em engrenagens, suspensões, mancais e componentes de moagem. Atenção: a γ estabilizada transforma sob usinagem pesada → usinar antes de austemperar.

Prática industrial: defeitos, controle e ferramentas rápidas

A maioria dos problemas de tratamento térmico não vem da metalurgia — vem de projeto que ignora a têmpera, carga mal montada, pirometria descalibrada e especificação ambígua. Este módulo é o seu checklist.

8.1 Distorção e trincas de têmpera

• Duas fontes de tensão: ① térmica (gradiente superfície-núcleo) e ② de transformação (γ→α' expande ~4 % em volume). Quando a superfície já é martensita rígida e o núcleo transforma depois, o núcleo empurra a casca → tração superficial → trinca tipicamente intergranular seguindo o grão γ prévio (mas pode ser transgranular ou mista, conforme aço, tensões e condição metalúrgica), partindo de cantos vivos, furos, marcas de estampo, rebarbas e descarbonetação.
• Regras de projeto anti-trinca: raios generosos, evitar mudanças bruscas de seção, avaliar tampões em furos roscados (protegem a rosca, mas podem reter vapor e alterar a troca térmica local — decidir caso a caso), posicionar canais de chaveta fora do padrão de indução, seções balanceadas.
• Regras de processo: meio mais brando que atenda a dureza (óleo/polímero antes de água), agitação uniforme, orientação de imersão (eixos na vertical!), martêmpera para geometrias críticas, revenir imediatamente.
• Diagnóstico rápido: trinca antes do revenido, arestas oxidadas dentro da trinca → trincou na têmpera; trinca com bordas limpas após retífica → possível trinca de retífica (queima) ou de revenido insuficiente.

8.2 Defeitos superficiais de forno

8.3 Pirometria e qualidade (o que a auditoria pede)

• AMS 2750 / CQI-9: classes de forno por uniformidade — TUS (Temperature Uniformity Survey), Classe 1 a 6: ±5 a ±50 °F (≈ ±3, ±6, ±8, ±10, ±14 e ±28 °C), conforme a edição vigente da norma; SAT (System Accuracy Test), calibração e rastreabilidade de termopares.
• Especificação em desenho, o mínimo: tratamento + norma de referência, dureza com método e carga (ex.: 58–62 HRC; 550 HV1), profundidade com critério (CHD 550 HV1 = 0,8–1,2 mm; NHD núcleo+50 HV), local de medição, restrições de camada branca/descarbonetação, e sequência com usinagem (pré/pós).
• Ensaios de verificação: dureza superficial e de núcleo, perfil de microdureza (ISO 2639/18203), metalografia (camada, γ retida, IGO), Jominy p/ recebimento de corrida, partículas magnéticas pós-têmpera em peças críticas.

8.4 Conversor de dureza (aprox. ASTM E140, aços) CÁLCULO DIDÁTICO

8.5 Fluxo de decisão — qual tratamento especificar?

1. Precisa endurecer o volume todo? → têmpera + revenido (beneficiamento). Verifique temperabilidade × seção (Jominy/CCT) antes de escolher o aço, não depois.
2. Só a superfície, camada profunda (>0,5 mm) e contato hertziano alto? → cementação (aço baixo C) ou indução (aço médio C, geometria simples e volume de produção).
3. Só a superfície, peça acabada, distorção inaceitável? → nitretação (aço com Cr/Mo/V/Al, já beneficiado).
4. Desgaste adesivo + corrosão, custo baixo, camada fina serve? → FNC/QPQ.
5. Abrasão extrema? → boretação (ou revestimento: PVD, aspersão, solda dura — fora do escopo térmico).
6. Só remover tensões (soldou, usinou pesado)? → alívio de tensões; respeite o teto do último revenido.
7. Amolecer para usinar/conformar? → recozimento isotérmico (produtividade) ou esferoidização (alto C).