Qual é a finalidade da têmpera do aço estrutural de carbono?

Qual é a finalidade da têmpera do aço estrutural de carbono?
O processo de têmpera para aço estrutural de carbono envolve aquecer o aço até a temperatura de austenitização (normalmente 30-50 graus acima de Ac3, exigindo austenitização completa para aço hipoeutetóide), mantendo o aço nesta temperatura por um período de tempo para permitir que a microestrutura se transforme completamente em austenita e, em seguida, resfriando-o rapidamente em um meio de resfriamento, como água ou óleo. Seu objetivo principal é alcançar uma melhoria "inovadora" nas propriedades mecânicas, alterando a microestrutura interna do aço (transformando a austenita em estruturas de desequilíbrio, como martensita ou bainita), particularmente para requisitos de resistência e dureza. Este processo pode ser categorizado nos seguintes quatro objetivos principais:
1. Melhorar significativamente a dureza do aço e a resistência ao desgaste
A microestrutura de equilíbrio do aço estrutural de carbono (por exemplo, perlita + ferrita) tem uma dureza relativamente baixa (por exemplo, a dureza-laminada a quente do aço Q235 é de aproximadamente HB150-180, e a do aço 45 é de aproximadamente HB170-210). Isto o torna inadequado para aplicações que exigem resistência ao desgaste e a riscos (por exemplo, superfícies resistentes ao desgaste em peças mecânicas e bordas de ferramentas). Durante a têmpera, a austenita esfria rapidamente (a taxa de resfriamento deve exceder a "taxa crítica de resfriamento"). Os átomos não têm tempo para se difundir e formar perlita em equilíbrio e, em vez disso, são forçados a formar martensita. A martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono em -Fe, com distorção significativa da rede e numerosos deslocamentos internos. Isso aumenta significativamente a dureza:
O aço estrutural de médio{0}}carbono (como o aço 45) pode atingir uma dureza de HRC55-60 após a têmpera, excedendo em muito a do aço laminado a quente.
O aço estrutural com alto-carbono (como o aço 65) pode até atingir uma dureza de HRC60-65 após a têmpera, aproximando-se do nível do aço para ferramentas comum.
Esta alta dureza melhora efetivamente a resistência ao desgaste das peças e reduz o desgaste durante o uso (por exemplo, têmpera de guias de máquinas-ferramenta e flancos de dentes de engrenagens).
2. Melhora significativamente a resistência do aço e a resistência à deformação
Além da dureza, a têmpera aumenta significativamente a resistência à tração, o limite de escoamento e a resistência à deformação do aço estrutural de carbono. A ferrita na estrutura de equilíbrio possui alta plasticidade, mas baixa resistência, enquanto a perlita possui resistência moderada. A martensita, entretanto, pode atingir um aumento de 50% a 100% na resistência devido à distorção da rede e ao fortalecimento das discordâncias.
Por exemplo, o aço 45 tem uma resistência à tração-laminada a quente de aproximadamente 600 MPa. Após a têmpera (sem revenido), a resistência à tração aumenta para mais de 1000 MPa e a resistência ao escoamento aumenta de 355 MPa para mais de 800 MPa.
Para peças que suportam cargas, resistem ao impacto ou à deformação (como eixos, bielas e parafusos), a alta resistência após a têmpera garante que as peças não se deformem ou quebrem sob condições operacionais complexas, atendendo assim aos{0}}requisitos de suporte de carga. 3. estabelece a base para o processo de "têmpera" subsequente, alcançando uma "resistência-tenacidade equilíbrio."
Embora os aços estruturais de carbono atinjam dureza e resistência extremamente altas após a têmpera, eles apresentam desvantagens significativas: alta tensão interna na estrutura martensítica, baixa ductilidade e tenacidade extremamente baixa (propenso à fratura frágil, com absorção de energia de impacto normalmente de apenas 5-10J). O uso direto pode facilmente levar à falha devido a pequenos impactos ou concentrações de tensão. Portanto, a têmpera raramente é usada como um “tratamento térmico final”, mas sim como um precursor do processo de têmpera. Sua função principal é fornecer uma "estrutura fundamental de alta-dureza e alta resistência" para ajustes de desempenho subsequentes.
O revenido subsequente em diferentes temperaturas (revenido em baixa-temperatura 150-250 graus, revenido em temperatura média-350-500 graus e revenido em alta temperatura 500-650 graus) pode eliminar a tensão interna da martensita e melhorar a tenacidade, mantendo a maior parte da resistência temperada.
Por exemplo, após a têmpera e o revenido-de alta temperatura (têmpera e revenido) do aço 45, a dureza é reduzida para HRC 28-32, enquanto a resistência à tração permanece acima de 800 MPa e a absorção de energia de impacto é aumentada para mais de 50J. Isso alcança um equilíbrio ideal entre "alta resistência e alta tenacidade", tornando-a a solução abrangente de otimização de desempenho mais comumente usada na fabricação de máquinas. 4. Melhorando o desempenho local e atendendo aos requisitos de "fortalecimento local"
Algumas peças de aço estrutural de carbono não requerem alta resistência geral (para evitar fragilidade geral) e requerem apenas reforço de áreas de trabalho críticas (como superfícies de desgaste e áreas de tensão concentrada). Nestes casos, a têmpera pode alcançar “melhorias de desempenho local” através de uma abordagem de “aquecimento local + resfriamento local”.
Por exemplo, os trilhos-guia de máquinas-ferramenta exigem resistência ao desgaste superficial (alta dureza), mas a matriz do trilho-guia deve manter a tenacidade (para evitar fratura por impacto). Isto pode ser conseguido através de "têmpera de superfície de aquecimento por indução". Isto envolve aquecer apenas a superfície do trilho-guia até a austenitização e resfriá-la rapidamente, formando martensita temperada (dureza HRC 50-55) na superfície, mantendo a estrutura de equilíbrio original da matriz (mantendo a tenacidade).
Para outro exemplo, a cabeça ou porção roscada de um parafuso requer resistência ao cisalhamento e ao desgaste. A têmpera local pode atingir um desempenho crítico, evitando a fragilidade geral e reduzindo o risco de falha da peça.