Trincas por têmpera em aços-ferramenta: mecanismos, identificação e prevenção.

O que é trincamento por têmpera?

A fissuração por têmpera é uma falha que ocorre durante ou logo após o processo de têmpera. As fissuras geralmente se iniciam na superfície e se propagam para o interior ao longo de trajetórias longitudinais ou radiais. Uma vez formadas, as peças não podem ser recuperadas.

Por que ocorre a fissuração por têmpera?

A fissuração por têmpera ocorre quando interna as tensões geradas durante o resfriamento e a transformação excedem a resistência à tração da estrutura endurecida. A fratura resultante é interpretada da mesma forma que qualquer outra, e as marcas que datam uma trinca de têmpera são mostradas na gráfico de características da superfície de fratura.

Durante a têmpera, a superfície resfria e se contrai primeiro, enquanto o núcleo permanece quente, criando um gradiente de temperatura que introduz tensão mecânica em toda a seção. Ao mesmo tempo, a transformação de austenita em martensita produz expansão volumétrica. Como a superfície se transforma primeiro, ela se expande enquanto o núcleo permanece dúctil e pode acomodar a deformação.

À medida que o resfriamento continua, o núcleo atinge a temperatura de transformação e começa a se expandir. Nesse estágio, a superfície já se transformou em martensita rígida e não pode mais se deformar plasticamente. O núcleo em expansão impõe tensão de tração à superfície. Quando essa tensão excede a resistência local do material, as trincas se iniciam na superfície e se propagam para o interior.

Como a trinca então se propaga depende da severidade da têmpera, e o padrão muda sistematicamente com ela.

Quench cracking pattern in 60SC7 steel cylinders 4 to 35 mm diameter quenched in water, showing the crack pattern with decreasing cooling rates and increasing quench severity
Fig. 10.26. Padrão de trincamento por têmpera em cilindros de aço 60SC7 de 4 a 35 mm de diâmetro temperados em água, traçado em função de uma velocidade de resfriamento decrescente e de uma severidade de têmpera crescente. O padrão vai de uma única trinca circunferencial na extremidade temperada da seção menor e mais severamente temperada, passando por trincas longitudinais, até uma seção que se parte de outra forma ou não trinca de modo algum à medida que o diâmetro cresce. O estudo de Beck é a fonte do diagrama, creditado no capítulo; o 60SC7 é um aço para molas e não um aço ferramenta, e o padrão é o mesmo observado em cilindros de aço ferramenta. Fonte: M. Narazaki e G.E. Totten, Distortion of Heat-Treated Components, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 10.26.

→ Aprenda como funciona o processo de têmpera no tratamento térmico de aços para ferramentas.

Qual efeito prevalece depende da seção e do grau, e há três resultados padrão. Os painéis abaixo são os três padrões de tensão residual que um cilindro endurecido pode apresentar.

The three basic types of hardening residual stress distribution, shrinking type, transition type and transformation type, with the cylinder diameters at which each occurs
Fig. 6.42. Os três tipos básicos de distribuição de tensão residual de endurecimento em um cilindro: tipo por contração, tipo de transição e tipo por transformação, com o padrão de tensão ao longo da seção desenhado para cada um. Qual deles aparece é decidido por quanto a transformação fica atrás da contração térmica, de modo que um grau de têmpera total em uma seção pesada recai no tipo por transformação, com tração na superfície — o estado a partir do qual uma trinca se inicia. A pequena tabela fornece os diâmetros de cilindro em que cada tipo ocorre no aço 0,45% C Ck45 sob têmpera em água e em óleo. Fonte: B. Liščić, Steel Heat Treatment, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 6.42.

Fatores que influenciam o risco de fissuras

O risco de trincamento depende de como a tensão é gerada e concentrada durante a têmpera.

A composição do material afeta diretamente o comportamento de transformação. Um teor de carbono mais alto aumenta a expansão volumétrica e reduz as temperaturas de transformação, diminuindo a relaxação de tensões e aumentando a suscetibilidade ao trincamento.

A geometria controla a extração de calor e a distribuição de tensões. Cantos vivos, chaveteros e grandes diferenças de espessura de seção criam resfriamento não uniforme, que concentra tensões em locais específicos.

A condição da superfície define onde as trincas se iniciam. Essa superfície é um elo em uma cadeia mais longa de causas, e a cadeia completa, do projeto ao uso em serviço, é abordada na Página de análise de falhas de ferramentas e matrizes. Marcas de usinagem, defeitos de estampagem e descontinuidades metalúrgicas atuam como concentradores de tensão. descarbonetação superficial altera ainda mais o momento da transformação entre a superfície e o núcleo, aumentando a incompatibilidade durante o resfriamento.

A prática de austenitização afeta a resistência estrutural. Temperatura excessiva engrosse os grãos, reduzindo a resistência à fratura intergranular durante a têmpera.

Os dois números de material que mais influenciam o risco são a temperatura de início de martensita e o carbono equivalente, e a relação não é linear.

Quench cracking of selected steels against the martensite start temperature and against carbon equivalent, with nickel-chromium-molybdenum and carbon-manganese steels marked
Fig. 10.16. Fração de trincas de têmpera em função da temperatura de início de martensita no painel superior e em função do carbono equivalente no painel inferior, para um conjunto de aços, com aços níquel-cromo-molibdênio, aços carbono-manganês e graus que não se tornaram totalmente martensíticos marcados separadamente. As trincas atingem o pico em uma faixa de Ms em vez de no valor mais baixo, porque a trinca precisa que a transformação ocorra tarde o suficiente para acumular tensão e que o núcleo permaneça resistente o suficiente para transmiti-la, e os graus totalmente martensíticos trincam menos. A figura é creditada na fonte ao ASM Handbook, Volume 4. Fonte: M. Narazaki e G.E. Totten, Distortion of Heat-Treated Components, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 10.16.

Identificação na prática

As fissuras de têmpera são identificadas por sua origem, morfologia e características metalúrgicas.

As trincas geralmente se iniciam na superfície e seguem os contornos de grão da austenita prévia, resultando em uma trajetória de fratura intergranular. Se o revenido ocorrer após a trinca, a oxidação no interior da trinca produz cores ou escamas características do revenido, indicando que a trinca se formou antes do revenido. Em contraste, trincas formadas após o tratamento térmico não apresentam oxidação interna.

A microestrutura ao redor não mostra descarbonetação porque o trincamento ocorre após o estágio de alta temperatura.

Prevenção e Mitigação

A prevenção concentra-se na redução da concentração de estresse e na sincronização da transformação ao longo de toda a seção.

Projete a geometria para evitar transições bruscas e grandes diferenças de espessura, a fim de promover resfriamento uniforme. A preparação da superfície deve eliminar defeitos de usinagem e evitar a descarbonetação durante o aquecimento.

Selecione métodos de têmpera para controlar a taxa de resfriamento e reduzir os gradientes de temperatura. Processos como a martêmpera equalizam a temperatura antes da transformação, reduzindo significativamente a tensão interna.

Realize o revenimento imediatamente após a têmpera, enquanto o componente ainda está quente, para aliviar tensões residuais e prevenir trincas retardadas.

Seleção de Materiais e Temperabilidade

A seleção do material controla o nível de tensão desenvolvido durante o resfriamento rápido.

Aços de baixa temperabilidade requerem resfriamento rápido para atingir a dureza total, o que produz gradientes térmicos acentuados e alta tensão interna. Esses aços são adequados apenas para geometrias simples.

A própria taxa de resfriamento tem uma faixa perigosa, e ela é mensurável.

Probability of crack formation against the cooling rate inside the martensite formation range, for a 6 mm diameter 41Cr4 steel cylinder
Fig. 9.47. Probabilidade de formação de trinca em função da taxa de resfriamento dentro da faixa de formação de martensita, para um cilindro de aço 41Cr4 com 6 mm de diâmetro. A probabilidade é baixa na extremidade lenta, sobe até um pico de cerca de 100 % perto de 350 K/s e volta a cair à medida que a taxa de resfriamento continua aumentando, porque uma taxa rápida o suficiente para transformar a superfície e o núcleo quase simultaneamente elimina novamente a incompatibilidade. É por isso que uma têmpera é especificada como um meio e um tamanho de seção em conjunto: o risco está em uma faixa de taxas de resfriamento, não em um único valor. O 41Cr4 é um grau de cromo de baixa liga, não um aço ferramenta, e a faixa é a mesma pela qual passam os graus de aço ferramenta. Fonte: H.M. Tensi, A. Stich e G.E. Totten, Quenching and Quenching Technology, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 9.47.

Aços-ferramenta de alta temperabilidade se transformam em taxas de resfriamento mais lentas, permitindo têmpera ao ar ou suave. Isso reduz os gradientes de temperatura e a tensão interna, tornando-os mais adequados a formas complexas e seções grandes. A seção que cada grau endurecerá em uma dada têmpera é mostrada na Tabela de temperabilidade do aço ferramenta.