“O endurecimento por envelhecimento por precipitação, ou endurecimento por partículas, é um processo de tratamento térmico de metal usado para melhorar a resistência ao escoamento do metal e uma vasta gama de ligas estruturais.”
Este método foi descoberto pela primeira vez por Alfred Wilm enquanto tentava aumentar a resistência das ligas de alumínio. Em 1906, ele recebeu alumínio endurecido por precipitação, e isso resultou na produção da primeira liga de alumínio-cobre endurecível pelo envelhecimento, chamada Duralumin.
Posteriormente, os princípios do endurecimento por envelhecimento foram aplicados a outros materiais ao longo dos anos. Hoje, esse processo é usado para aços carbono e diferentes ligas metálicas para aumentar suas propriedades de resistência, dureza e resistência à ferrugem.
O que é endurecimento por precipitação?
Endurecimento por precipitação
O endurecimento por envelhecimento é um tipo específico de tratamento térmico que ajuda a aumentar o rendimento e a resistência à tração das ligas metálicas, tornando-as mais duras com o tempo. Funciona separando alguns dos componentes da liga, o que fixa a combinação com mais firmeza no lugar e limita o movimento de uma parte do material em relação a outra.
O princípio é um pouco semelhante ao do concreto reforçado com aço. O reforço do concreto com barras de aço aumenta em grande medida a resistência à tração da estrutura. Quando uma carga de tração é aplicada, as barras de aço suportam a tensão e, portanto, não permitem a expansão do concreto. Da mesma forma, as impurezas incorporadas na liga durante o endurecimento de capa processo também melhora a resistência geral da liga.
O uso do endurecimento por precipitação pode resultar em aumentos significativos na resistência ao escoamento e na dureza. Por exemplo, o aço recozido com 0.3% de carbono geralmente tem um limite de escoamento de aproximadamente 300 MPa. Se este aço for submetido ao endurecimento por trabalho, então a resistência ao escoamento deste material é de cerca de 600 MPa. No entanto, com o endurecimento por precipitação, o limite de escoamento pode subir até 1500 MPa. Isto mostra que há uma melhoria de cinco vezes no limite de escoamento, mostrando assim as vantagens do processo na melhoria do desempenho de uma liga.
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Qual é o mecanismo de endurecimento por precipitação?
O processo envolve três etapas principais: Os processos comuns incluem tratamento em solução, têmpera e envelhecimento. Todas as etapas têm sua importância no aumento da resistência e dureza de um determinado material.
Tratamento de solução: A primeira etapa, comumente referida como tratamento de solução ou solubilização, envolve o aquecimento da liga a uma alta temperatura para obter uma solução. Esta temperatura está acima do ponto solvus, o que garante que o precipitado esteja em solução no metal base. Por exemplo; berílio em cobre ou cobre em alumínio.
Para facilitar a compreensão, dissolva o açúcar em água quente. A quantidade de açúcar que pode dissolver aumenta com o aumento da temperatura da água. Por outro lado, se a água esfriar, alguma quantidade do açúcar dissolvido pode cristalizar. A temperatura Solvus é a temperatura mais alta na qual o precipitado está em solução. Isto ocorre porque ao aquecer a liga a esta temperatura, somos capazes de atingir a solubilidade máxima, portanto, uma solução sólida supersaturada. Essa etapa também é conhecida como imersão, na qual a liga permanece nessa temperatura elevada por um determinado período de tempo.
Têmpera: Após a dissolução máxima, a liga é rapidamente resfriada à temperatura ambiente por meio de um processo conhecido como têmpera. Este resfriamento rápido mantém a solução supersaturada em um estado metaestável. Assim, o precipitado não sedimenta.
Fase Metaestável: Uma fase metaestável é uma fase instável que não deveria existir em temperaturas mais baixas, mas a extinção bloqueia a estrutura atômica nessa fase. Este resfriamento rápido elimina as chances de locais de nucleação onde poderiam formar-se precipitados se o resfriamento fosse mais lento. Após a têmpera, a liga é uma solução sólida e macia e tem baixa resistência em comparação com outros estados da liga.
Envelhecimento: Na fase de envelhecimento, a liga é aquecida a uma temperatura inferior à da fase de tratamento em solução, mas superior à temperatura ambiente. Isto leva à formação de precipitados finos na matriz de solução sólida da liga. Esses minúsculos precipitados produzem campos de deformação que aumentam muito a resistência e a dureza da liga.
Existem duas formas de envelhecimento: o envelhecimento natural, que é o envelhecimento à temperatura ambiente, e o envelhecimento artificial, que é o envelhecimento a altas temperaturas. O processo de envelhecimento depende do tempo; com o passar do tempo, a dureza e a resistência do material aumentam até um certo ponto. Neste ponto ideal, o material está mais forte porque os precipitados dificultam o movimento atômico de forma mais eficiente.
Se o material envelhecer por muito tempo ou a uma temperatura muito alta, ele envelhecerá demais. Os materiais sobreenvelhecidos apresentam uma redução na resistência e na dureza em relação ao valor máximo, apresentando, portanto, características mecânicas ruins.
Endurecimento por precipitação de aço inoxidável
Endurecimento por precipitação de aço inoxidável
O endurecimento por precipitação do aço inoxidável é um grupo especial de ligas que apresentam as melhores características dos aços inoxidáveis martensíticos e austeníticos. Essas ligas são tratadas termicamente de forma que lhes conferem alta resistência e, ao mesmo tempo, boa trabalhabilidade e ductilidade. No entanto, eles podem atingir resistência à tração entre 850 MPa e 1,700 MPa, o que os torna adequados para diversas aplicações.
O processo tem várias etapas importantes. Começa com um tratamento em solução no qual os precipitados são dissolvidos; então, o material é rapidamente resfriado para formar uma solução sólida supersaturada. Por último, é realizado um processo de envelhecimento para produzir precipitados finos distribuídos uniformemente na matriz da liga. Essa sequência de tratamentos leva a um aumento na resistência por um fator de 1 a 5 vezes, à resistência ao desgaste por um fator de 2 a 2 vezes e à resistência à corrosão por um fator de 3 a 2 vezes.
Devido às características aprimoradas dos aços inoxidáveis endurecidos por precipitação, eles são amplamente utilizados em diversas indústrias, como petróleo e gás, aeroespacial e muitas outras. Esses materiais são valorizados por sua alta resistência a condições severas e altas cargas mecânicas. Depois de ler este artigo, você poderá compreender essa classe excepcional de aço inoxidável e seus usos em diferentes indústrias.
Diferença entre têmpera e endurecimento por precipitação
Aço temperado
O revenido e o endurecimento por precipitação são dois tratamento térmico de metais processos que são usados para alterar as características dos metais. No entanto, eles são diferentes em sua função e aplicação em metais. Embora todos incluam os processos de aquecimento, resfriamento e reaquecimento, seus impactos e os metais aos quais são aplicados são bastante diferentes.
O revenido é aplicado principalmente para aumentar a tenacidade e ductilidade dos aços-liga. Primeiro, o aço é aquecido até a formação de martensita, uma fase dura mas quebradiça, e depois reaquecido a uma temperatura mais baixa. Este reaquecimento permite que os átomos de carbono se movam, alivie as tensões internas e mude a estrutura martensítica para uma mais estável. Assim, a dureza do material é ligeiramente reduzida enquanto a sua tenacidade e ductilidade aumentam visivelmente. Isso torna o aço temperado menos suscetível a trincas sob tensão.
Enquanto isso, o endurecimento por envelhecimento é usado para aumentar a dureza e a resistência de metais como alumínio, ligas de níquel e aço inoxidável. Este processo envolve a formação de precipitados finos na matriz metálica, o que restringe o movimento das discordâncias na rede cristalina, tornando o material mais duro. Mas este aumento na dureza e resistência também pode levar à fragilidade do material utilizado. O endurecimento por precipitação, também conhecido como envelhecimento, ocorre em temperaturas mais baixas e por mais tempo em comparação ao revenido e isso possibilita a formação desses precipitados finos.
As principais distinções baseiam-se no impacto nas propriedades mecânicas do material, nos metais a serem tratados e nas características do processo. O revenido aumenta a tenacidade e a ductilidade dos aços-liga e diminui um pouco a dureza. É específico para aços-liga devido à formação da fase martensita. O endurecimento por precipitação, por outro lado, aumenta a dureza e a resistência do metal, mas ao mesmo tempo o torna mais quebradiço, e é usado principalmente em alumínio, níquel e aço inoxidável. Além disso, o revenido envolve a lixiviação de carbono da rede BCT para aliviar tensões internas, enquanto a precipitação ou endurecimento por envelhecimento envolve a formação de partículas finas que restringem o movimento de discordâncias na matriz metálica.
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Materiais normalmente usados para endurecimento por precipitação
A precipitação ou endurecimento por envelhecimento é aplicada a um grande número de ligas metálicas. Os materiais mais comuns que são frequentemente tratados são ligas de alumínio, incluindo 2024, 6061 e 7075, aço inoxidável endurecido por precipitação, como 17-4 PH e 15-5 PH, e ligas de titânio e magnésio.
Nem mesmo materiais modernos como as superligas à base de níquel como Inconel 718, Waspaloy e René 41 são imunes ao tratamento térmico de precipitação. Devido a esta técnica, os engenheiros são capazes de melhorar as propriedades mecânicas de um grande número de ligas e oferecer soluções que incluem alta resistência, resistência à corrosão e aparência.
Benefícios do endurecimento por precipitação
O processo de endurecimento por precipitação resulta em uma série de características melhoradas do material em comparação com o material não tratado. Aqui estão algumas das principais vantagens:
Força Aumentada
A principal vantagem do endurecimento por precipitação é a grande melhoria na resistência ao escoamento do material. Este processo aumenta a plasticidade e a resistência da liga, restringindo o movimento de discordância. Por exemplo, na liga de alumínio 6061, quando tratada com endurecimento por envelhecimento T6, o limite de escoamento aumenta de 124MPa para 276MPa, mais que o dobro do valor original. Esta melhoria dramática mostra como o fortalecimento da precipitação é crucial para a melhoria da resistência do material.
Resistência Aprimorada
O endurecimento por envelhecimento também tem impacto na melhoria da tenacidade. O processo também ajuda a liberar tensões internas e tornar a estrutura mais homogênea, aumentando a resistência do material a choques e fissuras por tensão. Por exemplo, a resistência à tração do alumínio 6061 aumenta de 117MPa para 310MPa após o tratamento T6; isso mostra o efeito do endurecimento por precipitação na tenacidade.
Dureza Melhorada
O endurecimento por precipitação também aumenta muito a dureza da liga devido ao aumento da resistência ao movimento das discordâncias. Por exemplo, na fundição sob pressão, a matriz usada para fabricar a peça deve ser muito forte e resistente ao desgaste, uma vez que é usada para produzir milhares de peças ao mesmo tempo. Esses requisitos são atendidos por matrizes de aço ou alumínio endurecidas por precipitação, que têm uma vida útil mais longa e são mais apropriadas para produção em grandes volumes.
Melhor estabilidade dimensional
As melhorias na resistência e tenacidade também resultam em melhor estabilidade dimensional. O material ganha maior resistência à deformação térmica e plástica e não se deforma sob cargas mecânicas e térmicas. Isto é especialmente benéfico na engenharia, onde os componentes precisam manter a sua forma durante outros processos exigentes, como corte e polimento.
Eficiência de custos
O endurecimento por precipitação também pode contribuir para a redução dos custos de produção. As características mecânicas melhoradas são geralmente suficientes para justificar o custo do tratamento térmico. Assim, não há necessidade de utilizar ligas mais caras e com características semelhantes. Por exemplo, o aço inoxidável endurecido por precipitação pode ser tão forte quanto ligas caras de titânio e, portanto, pode economizar muito dinheiro.
Dificuldades e recomendações para tratamento de endurecimento por precipitação
Embora o endurecimento por precipitação seja um dos métodos mais eficazes de fortalecimento de metais, ele apresenta algumas dificuldades que precisam ser gerenciadas e controladas. Esta seção descreve as principais dificuldades inerentes ao processo e oferece recomendações sobre como evitá-las.
Desafios do endurecimento por precipitação
Os desafios ligados ao processo incluem;
Homogeneidade do Precipitado
A homogeneidade da precipitação é frequentemente encontrada ao usar o método de endurecimento por precipitação, que é a capacidade de obter tamanho e distribuição uniformes de precipitados no material. Isto é especialmente desafiador com peças grandes ou complicadas. O aquecimento ou têmpera inadequados podem resultar na formação de precipitados de forma irregular e isso impacta negativamente nas características mecânicas do material.
Excesso de envelhecimento
O envelhecimento excessivo é o estado em que o material fica exposto a altas temperaturas ou envelhece por muito tempo, levando à formação de grandes precipitados. Isto enfraquece o material e pode eliminar as vantagens do processo de tratamento térmico.
Tensões residuais
A têmpera envolve o resfriamento rápido do material e o envelhecimento envolve o aquecimento do material. Ambos os processos podem causar tensões residuais no material. Essas tensões podem levar a alterações dimensionais, trincas e variabilidade nas características mecânicas. Para evitar isso, deve-se reduzir os gradientes térmicos durante o aquecimento e o resfriamento e aplicar tratamentos de alívio de tensões, como compressão a frio.
Aqui estão algumas dicas que ajudarão no processo.
Otimize os parâmetros de tratamento térmico
O processo de endurecimento por precipitação depende da temperatura, do tempo e das taxas de aquecimento e resfriamento. Esses parâmetros precisam ser compreendidos e otimizados ao máximo. Por exemplo, a aplicação de um meio de resfriamento inadequado durante a têmpera reduzirá a taxa de resfriamento e, portanto, produzirá precipitados maiores que são menos eficazes. Conseguir o equilíbrio certo pode ser um processo de tentativa e erro e, portanto, é importante usar as técnicas de teste corretas e reservar tempo suficiente para acertar.
Controle preciso de temperatura
O controle da temperatura é muito importante durante o tratamento da solução e nos processos de envelhecimento. Por exemplo, o alumínio 6061 normalmente sofre tratamento de solução a cerca de 529°C e envelhecimento a cerca de 160°C. Manter as temperaturas dentro da faixa desses valores é fundamental para obter as propriedades mecânicas desejadas. Os operadores devem garantir que possuem instrumentos precisos de controle de temperatura para manter as temperaturas ideais.
Testes de qualidade
O fortalecimento das verificações de controle de qualidade em vários estágios do processo pode fornecer informações úteis sobre a eficácia do tratamento térmico. Métodos de ensaios não destrutivos e ensaios de dureza são muito eficazes para determinar as propriedades do material e para a detecção de problemas. Práticas como monitoramento e testes são eficazes para garantir que o produto final atenda às especificações e padrões de desempenho exigidos.
Se esses desafios forem enfrentados e as dicas a seguir forem seguidas, os engenheiros poderão melhorar a eficiência do endurecimento por precipitação e, assim, obter um material mais resistente e confiável.
Endurecimento por precipitação vs. recozimento e têmpera
O tratamento térmico é um processo que envolve tratamentos como endurecimento por precipitação, recozimento e têmpera. Todos esses processos envolvem a colocação de ligas em determinadas temperaturas por um determinado período de tempo; no entanto, eles não são iguais em termos de propósito e abordagem.
Endurecimento por precipitação vs. recozimento
Recozimento
O objetivo principal do endurecimento por precipitação é aumentar a resistência e a dureza de um material. Este processo inclui aquecer a liga para formar uma solução sólida supersaturada, temperá-la e, finalmente, revenê-la para formar precipitados finos que dificultam o movimento das discordâncias. Por outro lado, o recozimento visa reduzir tensões internas, aumentar a ductilidade e melhorar a usinabilidade do material. No recozimento, a liga é aquecida até a temperatura de recristalização e depois resfriada lentamente, geralmente em ar parado, para tornar o material mais macio e maleável.
Ambos os processos são semelhantes no início, onde o forno aquece a liga a uma temperatura próxima à sua temperatura de recristalização. No endurecimento por precipitação, a solução sólida quente é extinta ou rapidamente resfriada na próxima etapa. Por outro lado, no recozimento, permite-se que a liga aquecida esfrie a uma taxa muito mais lenta e de maneira controlada. Este resfriamento lento reduz as tensões internas e aumenta a ductilidade, ao mesmo tempo que não aumenta muito a resistência.
Endurecimento por precipitação vs. têmpera
Têmpera
A têmpera, que é discutida como um dos subprocessos do endurecimento por precipitação, é usada para endurecer o material, resfriando-o rapidamente a partir de uma alta temperatura. Este resfriamento rápido congela a microestrutura da liga em uma condição dura e quebradiça, aumentando assim a dureza do material, mas também tornando-o mais quebradiço. Este processo de têmpera faz parte do endurecimento por precipitação, mas além disso, o material temperado é reaquecido a uma temperatura mais baixa para formar precipitados finos. Esses precipitados melhoram a resistência e a dureza porque restringem o movimento das discordâncias.
Em ambos os processos, a liga é aquecida a alta temperatura como primeira etapa. No entanto, na têmpera, a liga aquecida é resfriada mais rapidamente até a temperatura ambiente, de modo a travar a microestrutura da liga. No endurecimento por precipitação, após a primeira têmpera, a liga é aquecida novamente a uma temperatura mais baixa por um período mais longo, denominado envelhecimento. Este reaquecimento permite a precipitação de partículas que melhoram as características mecânicas da liga.
O conhecimento dessas diferenças permite que os engenheiros escolham o processo de tratamento térmico correto para atingir as propriedades exigidas do material. O recozimento aumenta a ductilidade e a usinabilidade do material, a têmpera aumenta a dureza do material e o endurecimento por precipitação aumenta a resistência e a dureza do material.
Dentre todos os tipos de endurecimento, o endurecimento por precipitação pode ser considerado um dos métodos mais significativos na fabricação devido à sua contribuição significativa para o aumento da resistência, dureza e estabilidade dimensional das ligas metálicas.
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Perguntas Frequentes
Q1. Qual é o efeito da temperatura e duração do envelhecimento nas características das ligas de endurecimento por precipitação?
A temperatura e o tempo são os fatores críticos que determinam a extensão do processo e os resultados obtidos. Quando a temperatura aumenta ou o tempo de exposição é maior, podem ser produzidos precipitados mais grossos, o que pode reduzir o impacto positivo do endurecimento por envelhecimento.
Q2. Quais são as principais dificuldades relacionadas ao problema de obtenção de precipitação uniforme em peças de formato complexo?
A geometria de peças complexas é um desafio para alcançar propriedades uniformes em toda a peça. Alguns dos desafios que podem ser enfrentados incluem: Para superar estes desafios de forma eficaz, as seguintes abordagens podem ser implementadas;
Q3. Qual o efeito que a seleção do meio de têmpera tem nas características de uma liga endurecida por precipitação?
A escolha do meio de têmpera, seja água, óleo ou solução polimérica, determina a taxa na qual o material esfria durante a têmpera e, portanto, sua microestrutura. As taxas de resfriamento podem variar a dureza, a resistência e as tensões residuais, o que pode levar à qualidade das peças produzidas.