1. Definição
A tensão estrutural, também chamada de tensão de transformação, é um tipo de tensão interna gerada durante o tratamento térmico do aço, principalmente a têmpera. Surge da transformação de fase assíncrona e de diferenças específicas de volume entre microestruturas. A restrição mútua de mudanças de volume em diferentes seções da peça torna-a uma das principais causas de deformação e trincas no tratamento térmico.
2. Essência e Mecanismo de Geração
Principais causas
Diferentes fases no aço têm volumes específicos distintos (volume por unidade de massa):
Austenita (γ) A transformação de austenita em martensita traz uma expansão de volume significativa de 3% a 5%.
A superfície e o núcleo das peças têm taxas de resfriamento inconsistentes, levando à transformação de fase assíncrona e à variação de volume descoordenada, o que eventualmente induz tensão estrutural.
Processo típico de têmpera
Estágio inicial de resfriamento (acima do ponto Ms)
A superfície esfria mais rápido e atinge primeiro a temperatura Ms, transformando-se de austenita em martensita com expansão de volume. O núcleo permanece austenita sem expansão. Restringida pelo núcleo, a superfície suporta tensão de compressão enquanto o núcleo suporta tensão de tração.
Estágio de resfriamento tardio (abaixo do ponto Ms)
O núcleo esfria até o ponto Ms e se transforma em martensita com expansão de volume. A superfície tornou-se dura e quebradiça com capacidade de deformação limitada. O núcleo em expansão comprime a superfície, causando reversão de tensão.
Distribuição final das tensões: Tensão de tração superficial, Tensão de compressão do núcleo (oposta à tensão térmica).
3. Principais fatores que influenciam o estresse estrutural
Composição Química
Um maior teor de carbono aumenta a diferença de volume específico da martensita e aumenta o estresse estrutural.
Elementos de liga como Cr, Ni e Mo reduzem a temperatura Ms, expandem a diferença de temperatura de transformação de fase, melhoram a temperabilidade e intensificam a transformação de seção não uniforme, aumentando assim a tensão estrutural.
Tamanho e formato da peça
Tamanho de seção maior, espessura irregular, cantos e ranhuras mais agudos agravam a transformação de fase assíncrona, aumentando a tensão estrutural e a concentração de tensão. Peças pequenas são dominadas por tensões estruturais, enquanto as grandes são dominadas por tensões térmicas.
Parâmetros de Processo
A temperatura de têmpera mais alta homogeneiza a composição da austenita e torna os grãos mais grossos, amplificando o efeito de volume da transformação de fase e da tensão. Taxa de resfriamento mais rápida abaixo de Ms e maior temperabilidade expandem a diferença de tempo de transformação de fase e o gradiente de transformação martensita, aumentando ainda mais o estresse estrutural.
Microestrutura Inicial
A perlita lamelar e a estrutura em faixas causam transformação de fase desigual e maior tensão. A microestrutura de recozimento esferoidizada permite a transformação de fase uniforme e reduz o estresse estrutural.
4. Resumo
O estresse estrutural é um resultado inevitável da transformação de fase assíncrona e da diferença de volume específica, caracterizada pela tensão superficial e compressão do núcleo. É o principal indutor de têmpera deformação e fissuras.
Medidas de controle: Reduza a taxa de resfriamento na região Ms, homogeneize a transformação de fase, conduza o revenido em tempo hábil e otimize a estrutura da peça e a seleção do material. Na produção, é necessário equilibrar a tensão estrutural e a tensão térmica para conciliar o desempenho, a deformação e os riscos de fissuração.