20- Uma companhia de rolamentos faz caixas de rolamento de alta precisão de uma aço ABNT52100.Esses são inicialmente trabalhados,quando ainda inacabados , então austenitizados e temperados em óleo, depois resfriados a -73^{\circ} \mathrm{C} e aquecidos até a temperatura ambiente em óleo , antes da operação final de polimento de precisão. O que pode ocorrer se o resfriamento a -73^{\circ} \mathrm{C} for omitido?Explique o por quê?É possível dois aços terem a mesma temperabilidade, mas durezas diferentes?Explique?

Passo 1

O enunciado dá o seguinte processo e pergunta duas coisas. Informações e pedidos (lista clara):
  • Aço: ABNT52100 (aço de rolamentos, alto teor de carbono e cromo).
  • Processamento descrito: trabalho mecânico inicial → austenitização → têmpera em óleo (resfriamento até temperatura ambiente) → resfriamento adicional até -73^\circ\mathrm{C} → aquecimento até temperatura ambiente em óleo → polimento de precisão final.
  • Pergunta A: O que pode ocorrer se o resfriamento a -73^\circ\mathrm{C} for omitido? Explique o porquê.
  • Pergunta B: É possível dois aços terem a mesma temperabilidade, mas durezas diferentes? Explique.

Passo 2

Primeira coisa: vamos entender os conceitos físicos essenciais (explicação didática e passo a passo).
  • O que é austenita: é a fase cristalina que existe quando o aço está aquecido acima da temperatura de austenitização; contém o carbono dissolvido.
  • O que é martensita: é a fase dura (metastável) formada quando a austenita se transforma rapidamente por resfriamento; é muito dura e frágil enquanto não for revenida.
  • O que é austenita retida: nem sempre toda a austenita se transforma em martensita ao terminar a têmpera. Parte da austenita pode permanecer “retida” à temperatura ambiente se a transformação não terminou. Essa fração é chamada de austenita retida.
  • Por que parte da austenita fica retida? Porque a transformação austenita → martensita ocorre em função da temperatura através de duas temperaturas características: M_s \quad\text{(martensita start)}\qquad\text{e}\qquad M_f \quad\text{(martensita finish)}.A transformação começa em M_s e termina em M_f. Se a têmpera levar o material apenas até uma temperatura maior do que M_f, a transformação não estará completa e haverá austenita retida.

Passo 3

Por que usar resfriamento a -73^\circ\mathrm{C} (tratamento criogênico)?
  • Muitos aços de alto carbono/ligados têm M_f abaixo da temperatura ambiente. Para converter praticamente toda a austenita restante em martensita é preciso resfriar abaixo de M_f.
  • O resfriamento criogênico (por exemplo até -73^\circ\mathrm{C}) reduz a temperatura do material abaixo de M_f, fazendo com que a austenita retida se transforme em martensita adicional.
  • Depois dessa conversão, aquece-se de volta (aquecimento controlado em óleo até temperatura ambiente) para evitar choques térmicos e estabilizar a microestrutura antes do polimento. Esse aquecimento controlado também impede condensação e mudanças bruscas que poderiam causar distorção.

Passo 4

O que acontece se o passo criogênico for omitido — explicação passo a passo e consequências práticas
  1. Após a têmpera em óleo, parte da microestrutura é martensita, mas se M_f do aço for menor que a temperatura ambiente haverá austenita retida.
  2. Se não houver resfriamento a -73^\circ\mathrm{C}, essa austenita retida permanecerá.
  3. Consequências diretas da presença de austenita retida:
    • dureza final menor do que a obtida com conversão completa para martensita (porque austenita é mais macia que martensita);
    • menor resistência ao desgaste (rolamentos exigem elevada dureza e resistência ao desgaste);
    • instabilidade dimensional: a austenita retida pode transformar-se tardiamente em martensita durante operações de acabamento (polimento, aquecimento local) ou mesmo em serviço, e essa transformação volumétrica causa deformações/efeitos dimensionais — prejudica a precisão das caixas de rolamento;
    • diminuição da vida à fadiga: a austenita retida pode reduzir resistência à fadiga por mecanismos microestruturais e também por gerar tensões residuais localizadas quando se transforma posteriormente;
    • variação no comportamento durante o polimento de precisão: peças que pareciam “ok” depois da têmpera podem mudar de forma após polimento se a austenita se transformar durante o processo.
  4. Resumindo o porquê: o resfriamento a -73^\circ\mathrm{C} existe para completar a transformação austenita → martensita (atingir baixo que M_f), garantindo máxima dureza, estabilidade dimensional e repetibilidade do acabamento. Sem ele, tem-se austenita retida que prejudica exatamente as propriedades críticas para rolamentos.

Passo 5

Comentário prático sobre o aquecimento em óleo até a temperatura ambiente (passo do processo que segue o criogênico)
  • Aquecer lentamente em óleo evita choques térmicos que poderiam gerar novas tensões residuais ou microfissuras.
  • Também estabiliza a microestrutura recém-formada e facilita o manuseio antes do polimento.
  • Em resumo: o ciclo criogênico + aquecimento controlado dá microestrutura mais homogênea e dimensionalmente estável.

Passo 6

Agora a segunda pergunta: o que é temperabilidade (hardenability) e por que dois aços podem ter a mesma temperabilidade mas durezas diferentes?
  • Definição clara e simples:
    • Temperabilidade (hardenability) é a capacidade do aço de formar martensita ao longo da seção da peça quando se resfria — ou seja, mede quão profundamente, a partir da superfície, a martensita se consegue formar com uma dada velocidade de resfriamento. Frequentemente é medida pelo ensaio Jominy (end-quench) e indicada por uma curva de dureza ao longo da distância.
    • Dureza é uma propriedade da microestrutura resultante (quanto a martensita formada é dura, etc.). Depende fortemente do teor de carbono e do tratamento térmico (temperatura e tempo de revenido), além da microestrutura (fração de martensita, carbetos, etc.).
  • Por que podem ser iguais em temperabilidade e diferentes em dureza?
    • Temperabilidade é controlada principalmente pelos elementos de liga (Cr, Mo, Mn, etc.) que retardam a transformação perlítica e favorecem a formação de martensita durante o resfriamento. Dois aços com a mesma combinação de elementos de liga podem apresentar curvas de temperabilidade muito parecidas.
    • Contudo, a dureza final depende também do teor de carbono e do estado de revenido: maior teor de carbono normalmente produz martensita mais dura (a dureza da martensita aumenta com o teor de carbono). Assim, dois aços com a mesma temperabilidade (mesmos elementos de liga) mas com teores de carbono diferentes podem formar martensita até a mesma profundidade (mesma temperabilidade), porém a dureza da martensita será diferente.
    • Exemplo didático e simples: suponha dois aços com idênticos elementos de liga (logo mesma temperabilidade), mas um com 0,6\% de carbono e outro com 1,0\% de carbono. Ambos podem transformar-se em martensita até a mesma profundidade (mesma temperabilidade), mas o aço com 1,0\% C produzirá martensita mais dura — portanto dureza final diferente.
  • Outra fonte de diferença de dureza: fração de austenita retida, presença/quantidade de carbonetos e o regime de revenido (temperatura e tempo) também alteram dureza mesmo quando temperabilidade é a mesma.

Passo 7

Resumo prático e recomendações (para a situação de prova / aplicação)
  • Se na peça de rolamento for omitido o ciclo a -73^\circ\mathrm{C}, espere menos dureza, maior austenita retida, risco de deformação durante acabamento e menor desempenho em desgaste/fadiga — portanto, não é recomendável omitir esse passo em um aço como ABNT52100 para aplicações de precisão.
  • Sim, dois aços podem ter a mesma temperabilidade (mesma capacidade de formar martensita ao longo da seção) e ainda assim exibir durezas diferentes, principalmente por diferença no teor de carbono ou por diferenças no tratamento térmico / revenido.

Resposta

Omissão do resfriamento a -73^\circ\mathrm{C}: leva à presença de austenita retida (pois M_f pode ficar abaixo da temperatura ambiente), resultando em menor dureza e resistência ao desgaste, instabilidade dimensional (transformações tardias durante polimento ou serviço causam deformações), redução da vida à fadiga e comportamento imprevisível da peça — por isso o passo criogênico é usado para converter austenita retida em martensita e garantir estabilidade.\nSim, é possível: temperabilidade (hardenability) mede a capacidade de formar martensita ao longo da seção (influenciada por elementos de liga), enquanto dureza depende também do teor de carbono, da fração de martensita formada, da austenita retida e do revenido; portanto dois aços com mesma temperabilidade podem apresentar durezas diferentes (por exemplo se tiverem teores de carbono diferentes).

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