As propriedades físicas do aço carbono podem ser manipuladas por procedimentos subsequentes de aquecimento e resfriamento. No entanto, esses procedimentos devem ser implementados em parâmetros restritos.

Os aços que podem ser compostos de outros elementos são chamados de ligas. A influência do carbono pode ser melhor compreendida somente depois de estudar o ferro puro

O ferro puro é altamente dúctil com grandes níveis de resistência à tração, cerca de 18 toneladas por polegada quadrada.

Quando o carbono é adicionado ao ferro, sua capacidade de tração, dureza e fragilidade aumenta, mas diminui sua ductilidade.

Contudo, as melhorias acima são dependentes do teor de carbono que deve ser limitado a 1,7% no tratamento térmico normal. Acima deste nível, o excesso de carbono entra em estado livre ou forma grafite que possui baixa resistência à tração. O nível de carbono em aço carbono puro nunca deve ser acima de 1,5%.

Quando aquecemos e resfriamos o aço, sua estrutura atômica muda, o que resulta na mudança de suas propriedades físicas para extensões significativas. Particularmente, o processo resulta em endurecimento de aço e serve para muitas aplicações importantes em diferentes campos. O processo de aquecimento e arrefecimento de aço para adquirir os resultados desejados é chamado de tratamento térmico de aço. No entanto, não garante mudanças ideais ou exatas desejadas no aço e o fabricante pode não ficar satisfeito com resultados comprometidos. Por exemplo, o aço mais macio pode não ser difícil, ele tolera o esforço de flexão em uma extensão e, portanto, é resistente, mas se for endurecido, pode tornar-se quebradiço e perder sua resistência contra flexão e outras formas de tensões de tração.

O tratamento térmico com aço carbono envolve alguns parâmetros importantes que são discutidos da seguinte maneira:

Estrutura do aço

O aço carbono é composto principalmente de ferro puro (ferrite) e também consiste de um composto químico chamado carboneto de ferro produzido pela introdução de carbono no ferro.

Uma visão transversal do aço de baixo carbono sob um microscópio mostra que ele é laminado na estrutura (perlita), misturado com ferrite. À medida que o teor de carbono aumenta, a proporção de perlita para ferrite também aumenta até o teor de carbono atingir 0,87 por cento quando o aço se transforma completamente em perlita.

Ao aumento adicional do teor de carbono (acima de 0,87%), uma visão através de um microscópio se descobre a perlita está cercada de cementite.

A ferrite é reconhecida como macia e dúctil, não muito forte. A perlita é resistente e forte, também é suficientemente suave e viável. Cementite embora muito dura, é frágil.

A análise acima mostra que, como o teor de carbono é aumentado no aço até 0,87%, o ele torna-se mais forte e mais resistente, mas além desse nível, o aumento no conteúdo de cementite torna o aço muito mais duro e gradualmente quebradiço.

Ponto crítico

O aquecimento de aço não produz uma taxa constante de aumento de temperatura, mas sim através de um fluxo irregular. Inicialmente, a temperatura pode mostrar um aumento constante após o qual pode parar de absorver o calor por um momento e, após um curto período de parada temporária, a temperatura novamente começa a aumentar normalmente. Durante esta breve pausa, o metal absorve o calor que em vez de aquecer ainda mais, inicia certas transformações no metal. A temperatura em que essa alteração ocorre é denominada como pontos “críticos” ou “de prisão”.

No entanto, é importante lembrar que, embora os aços possam variar em suas composições de carbono, seu ponto crítico inferior é o mesmo  730 graus Celsius.

Nesta temperatura, a perlita deixa de existir e as lâminas de outras composições como ferrite e cementite dissolvem para formar uma estrutura sólida chamada austenite, que mostra propriedades não magnéticas.

A proporção de perlita e cementite pode ser tal que a mistura produza uma solução sólida a temperaturas mais baixas. A solidez pode ser maior do que a obtida com outras misturas de aço, como perlita e eutetóide.

Ao aquecer o aço um pouco acima da temperatura do ponto crítico e depois o resfriar de repente não produz efeito sobre a sua forma estrutural. O resfriamento rápido restringe a formação da perlita, no entanto a austenita pode se transformar em uma estrutura atômica diferente chamada martensita, que apresenta extrema dureza e fragilidade.

Caso o resfriamento não seja feito drasticamente, o procedimento pode transformar a austenite em outra forma chamada bainita ou troostita como era chamado antigamente, que não é tão duro, mas é muito resistente.

Se o procedimento de resfriamento for feito a uma taxa mais lenta, então a transformação produz uma estrutura finamente granulada, forte e dúctil.

A discussão acima mostra como o grau de dureza pode ser variado observando diferentes taxas de aquecimento e resfriamento.

Métodos de aquecimento do aço

O método de tratamento térmico do aço carbono é um dos parâmetros críticos que devem ser observados cuidadosamente para beneficiar os melhores resultados. Juntamente com o limite de temperatura que deve ser cuidadosamente regulado, o procedimento de aquecimento deve ser gradual e uniforme.

É recomendável um equipamento de aquecimento que garanta um rígido controle de calor.

Os fornos de mufla operados com óleo, gás ou eletricidade são preferidos, sendo muito eficientes. Eles são capazes de gerar altos graus de temperaturas sem os riscos de aquecimento excessivo ou de dano ao metal que está sendo tratado termicamente.

Muitos fornos não podem ser usados pois não são adequados para o propósito, pois podem não suportar saídas de calor controladas e uniformes e podem sobreaquecer o metal até que ele queime.

Idealmente, o banho aquecido a óleo ou a gás contendo ligas fundidas de baixo ponto de fusão ou de sais fundidos torna-se muito adequado para o tratamento térmico de aço. Este tipo de aquecimento promete um aquecimento de aço bem regulado e também suporta o aquecimento para trabalhos irregulares. Os sais utilizados no banho podem ser alterados para obter diferentes níveis de temperatura.