Durante o resfriamento em água de um material austenitizado são observados três estágios que afetam a taxa de resfriamento e consequentemente o processo de têmpera. Explique cada etapa e as suas consequências detalhadamente.

Passo 1

O enunciado pergunta sobre as três etapas de resfriamento em água de um aço austenitizado e seu impacto na têmpera. O conteúdo envolve transferência de calor por ebulição e convecção, além de entender como cada regime afeta a taxa de resfriamento e, consequentemente, a formação de microestruturas como martensita, bainita ou perlita.

Passo 2

A primeira etapa é a ebulição por película (film boiling). Logo após imergir o aço, a superfície superaquecida gera uma fina camada de vapor que envolve a peça. Nesse regime
h\approx100\text{–}500\;\mathrm{W\,m^{-2}K^{-1}}
é baixo, pois o vapor isola termicamente. Consequência: o resfriamento inicial é lento, potencialmente mantendo temperatura alta por tempo prolongado. Se durar muito, austenita pode iniciar transformações indesejadas (bainita grossa ou perlita).
A segunda etapa é a ebulição nucleada (nucleate boiling). Quando a superfície cai abaixo do ponto de Leidenfrost (em torno de 300^\circ C), bolhas começam a se formar diretamente sobre o metal e se desprendem vigorosamente. Nesse regime
h\approx3\,000\text{–}30\,000\;\mathrm{W\,m^{-2}K^{-1}}
alcança o máximo, promovendo a maior taxa de extração de calor. Consequência: resfriamento rápido atravessa a zona de formação de martensita M_s até M_f, garantindo dureza elevada. Mas o choque térmico intenso pode gerar tensões internas, distorções e até trincas.

Passo 3

A terceira etapa é o resfriamento por convecção natural (ou ebulição residual), após a temperatura cair abaixo de 100^\circ C e cessar a formação de bolhas. O coeficiente de transferência volta a valores intermediários
h\approx500\text{–}1\,000\;\mathrm{W\,m^{-2}K^{-1}}.
Consequência: consolida a temperatura final, permite terminar a transformação de certos aços de baixo carbono e reduz bruscamente o risco de fissuras, mas já não contribui para endurecimento adicional.

Passo 4

Em termos práticos, para uma têmpera eficaz busca-se maximizar o tempo na etapa de ebulição nucleada (passo 2) e reduzir a duração do filme de vapor (passo 1), por meio de agitação ou aditivos na água. Isso assegura alta dureza (martensita uniforme) com menor distorção e trincas.

Resposta

As três etapas do resfriamento em água de um material austenitizado são:
  1. Ebulição por película (film boiling), com taxa de resfriamento baixa e risco de transformações indesejadas.
  2. Ebulição nucleada (nucleate boiling), com máxima extração de calor, formação de martensita e maior risco de tensões internas.
  3. Convecção natural (após ebulição), com resfriamento moderado para finalizar a têmpera e reduzir riscos de fissuração.

Exercícios relacionados