Explique as tensões envolvidas em todas as etapas do processo de têmpera.

Passo 1

O enunciado pede para identificarmos e explicarmos as tensões que surgem em cada etapa do processo de têmpera de um aço. O conteúdo aqui é a combinação de fenômenos térmicos (gradientes de temperatura) e transformações de fase (formação de martensita) que geram tensões térmicas, tensões de transformação e, por fim, tensões residuais. Vamos, etapa a etapa, apontar o que ocorre e por que aparece cada tipo de tensão.

Passo 2

Na etapa de aquecimento até a temperatura de austenitização (tipicamente entre 800\circC e 950\circC), se o aquecimento é rápido ou desigual surgem gradientes de temperatura entre regiões mais quentes e mais frias do componente. Esses gradientes provocam deformações térmicas incompatíveis e, segundo a lei de Hooke \sigma = E\,\alpha\,\Delta T, aparecem tensões de tração nas regiões mais aquecidas (que tentam se expandir) e tensões de compressão nas regiões ainda frias (que resistem à expansão).

Passo 3

Ao mergulhar a peça no meio de têmpera (água, óleo ou sal fundido), a superfície resfria muito mais rápido do que o núcleo, criando um choque térmico brusco. Nesse instante inicial de resfriamento aparece:
\begin{cases} \text{Tração na superfície},\\\ \text{Compressão no núcleo}. \end{cases}çãíãú
A superfície quer encolher devido à queda de temperatura, mas o núcleo quente impede esse encolhimento imediato, gerando \sigma_{\text{superf}} > 0 (tração) e \sigma_{\text{núcleo}} < 0ú (compressão).

Passo 4

Quando a temperatura local atinge o ponto de início de formação de martensita (por volta de 200\circ\)C a \(100\circ\)C, dependendo do aço), há uma expansão volumétrica associada à transformação de austenita em martensita. Essa expansão tende a "empurrar" o material externo. Como a superfície já está mais fria e rígida, verifica-se inversão das tensões: \[\begin{cases} \text{Compressão na superfície},\\\ \text{Tração no núcleo}. \end{cases}
Ou seja, a expansão volumétrica da martensita gera \sigma_{\text{superf}} < 0\] e \(\sigma_{\text{núcleo}} > 0.

Passo 5

Após o término completo da transformação (quando toda a região abaixo da superfície já virou martensita), fica um campo de tensões residuais em equilíbrio: superfície em compressão e núcleo em tração. Essa distribuição é benéfica para a resistência à fadiga e à fratura por fissuração.

Passo 6

Se o processo inclui uma têmpera seguido de revenimento (aquecimento moderado a 150\circC– 650\circC), parte dessas tensões residuais é relaxada. O revenimento permite a precipitação de cementita e alívio de tensões internas, reduzindo a magnitude de \sigma_{\text{residual}}, principalmente no núcleo, e balanceando melhor o conjunto superfície/núcleo.

Resposta

Na têmpera pura há três tipos principais de tensões:
– Durante o aquecimento rápido surgem tensões térmicas por gradientes de temperatura.
– No choque térmico inicial aparecem tração na superfície e compressão no núcleo.
– Na formação de martensita a expansão volumétrica inverte o estado (compressão na superfície e tração no núcleo), resultando nesses últimos as tensões residuais típicas.
No revenimento parcial essas tensões são parcialmente relaxadas.

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