Embed Size (px)
DESCRIPTION
Transformação Fora do equilibrio
Citation preview
11-Nov-14
1
ME111 – Materiais de Construção Mecânica
Transformações fora do equilíbrio
Prof. Dr. Tiago Felipe de Abreu Santos
Departamento de Engenharia Mecânica/CTG
Mecanismos de aumento de resistência
mecânica
• Refino de tamanho de grão;
• Aumento de resistência mecânica pela formação de
solução sólida;
• Encruamento;
• Endurecimento por dispersão, precipitação
• Tratamentos termomecânicos
• Transformações de fases desenvolvimento de
microestruturas bifásicas para ligas ferro-carbono
(tratamentos térmicos) reações fora do equilíbrio
11-Nov-14
2
Diagrama Fe-Fe3C e Eutetoíde
0.76
0.76
Cúbica de Corpo Centrado: CCC
Átomos por célula unitária:
11-Nov-14
3
CCC
Cúbica de Face Centrada: CFC
Átomos por célula unitária:
11-Nov-14
4
CFC
Hexagonal Compacta: HC
Átomos por célula unitária:
3 cubos = 2 x 3 = 6 átomos por célula
11-Nov-14
5
Fator de empacotamento atômico (FEA)
unitáriacélula
esferas
V
V
_
FEA
CFC: 0,74
CCC: 0,68
HC: 0,74
Aços de composição hipereutetóide
11-Nov-14
6
α
Perlita
Aços de composição hipoeutetóide
Microestruturas
Imagem de Microscopia Óptica do aço microligado com Nb austenitizado à 1000ºC, por 30mim, e temperado à (a) 498ºC e (b) 720ºC. F (ferrita), P (perlita), M (martensita).
F P
M F
11-Nov-14
7
Microestruturas
Aços de composição eutetóide
11-Nov-14
8
Austenita
Imagem de microscopia ópitca de aço inoxidável austenítico do tipo ABNT 304 contendo maclas de recozimento.
Fração volumétrica em função do tempo
11-Nov-14
9
Tempo (s)
700
600
500
400
Tempo (s)
Fraç
ão v
ol.
P
1 102 103 104 10
Temperatura eutetóide
Curva 50% transformada
Curva de conclusão (100% perlita)
Curva de início (0% perlita)
Austenita estável
Austenita instável Perlita
Curvas TTT
700
600
500
Tempo (s) 1 102 103 104 10 105
727ºC
Temperatura eutetóide
Perlita grosseira
Transformação perlita (P)
Perlita fina
α
Fe3C
Alta temperatura (Austenita estável)
Tem
per
atu
ra (
ºC)
11-Nov-14
10
Formação da Bainita
Cementita globulizada (esferoidizada)
Fe3C
α
11-Nov-14
11
Formação da Martensita
Martensita
Imagem de Microscopia Óptica do aço microligado com Nb austenitizado à 1000ºC, por 30min, e temperado em seguida. Estrutura martensítica.
11-Nov-14
12
(a) Resfriamento rápido até 350ºC, mantém esta temperatura por 104s, e em seguida, resfriamento rápido até temperatura ambiente
(b) Resfriamento rápido até 250ºC, mantém esta temperatura por 100s, e em seguida, resfriamento rápido até temperatura ambiente
11-Nov-14
13
(c) Resfriamento rápido até 650ºC, mantém esta temperatura por 20s, e em seguida, resfriamento rápido até 400ºC, mantém essa temperatura por 103s, e em seguida, resfriamento rápido até a temperatura ambiente.
11-Nov-14
14
Transf. Resf. Contínuo
Transf. isotérmica
Taxa de resf. alta
Taxa de resf. moderada
Taxa de resf. baixa
Transformação por Resfriamento
Contínuo Diagrama TRC
Para o resfriamento contínuo a curva TTT se desloca para baixo (temperaturas menores) e para a direita (tempos maiores) no diagrama.
Diagrama TRC
Curvas de resfriamento para a formação de 100% de martensita
TRC = Taxa de Resfriamento Crítico. Taxa mínima a qual formará somente
martensita
11-Nov-14
15
Comportamento mecânico das fases
Fe3C Mais dura Porém frágil
Material mais duro e resistente Menor ductilidade e tenacidade Ex: aços perlíticos
Resistência da Perlita Fina > resistência da perlita grosseira
Lamelas de α-Fe3C promove mais reforço da matriz ferrítica
Microestruturas de Fe3C globulizada possui menor resistência que a perlita, efeito de endurecimento por fibras (concreto armado) é mais eficaz que particulado (concreto).
Comportamento mecânico das fases
Bainita Aços bainíticos possuem maior resistência que os aços
perlíticos Ferrita acicular
Maior área interfacial por unidade de volume
Ainda sim, possuem boa relação resistência - ductilidade
Martensita A mais dura, resistente e frágil das fases no aço
Depende do teor de carbono aumenta a
tetragonalidade da estrutura;
Ferrita A mais macia, tenaz e dúctil das fases no aço
11-Nov-14
16
Têmpera
• Alta taxa de resfriamento
• Praticamente não há difusão
• Há a formação de martensita em aços;
• Superfície esfria mais rapidamente que o centro da
amostra tensões, trincas.
– Tamanho de amostra
– Taxa de resfriamento
– Banho de têmpera
Trat. Térmicos: Têmpera
Mais importante tratamento térmico
Aumento nas proprieades mecânicas e dureza (perda de ductilidade e tenacidade)
Variáveis Importantes
• Aquecimento acima da temperatura de austenitização
• Resfriamento rápido
Forma de Realizar
Temperatura de Austenitização
Varia de material para material
Carbono e Elementos de Liga Pelo menos parte dos carbonetos formados devem ser dissolvidos
Velocidade de Resfriamento (mais crítico neste processo)
Formar martensita (trincas, empenamento, homogêneo)
11-Nov-14
17
Revenimento
• Aquecimento de um aço martensítico até uma
temperatura abaixo da temperatura eutetoíde (250 a
650ºC) durante um intervalo específico.
• Microestrutura semelhante a cementita esferoidizada;
• A martensita revenida pode ser quase tão dura e
resistente quanto a martensita, porém com uma
dutilidade e tenacidade melhoradas.
Revenimento
Têmpera (impossibilita a utilização do material)
baixa ductilidade e tenacidade após tratamento
• Aquecimento entre 250ºC e 650ºC
• Tempo necessário para recuperar parte da ductilidade e tenacidade
Forma de Realizar
• Resfriamento até a temperatura ambiente
• perda da resistência mecânica e dureza, variando com a temperatura e o tempode revenido
Conseqüências
• quanto maiores, maior o ganho de ductilidade e tenacidade e maior a perda das propriedades mecânicas e dureza
11-Nov-14
18
Recozimento Normalização Têmpera
Revenimento
Martensita (fase TCC)
Bainita (α + Fe3C)
Perlita (α + Fe3C) + uma
fase pro-eutetóide
Martensita revenida (α+Fe3C)
Austenita
Têmpera rápida
Resfriamento Moderado
Resfriamento Lento
Reaquecimento
Dureza em função do tempo de revenido para um aço carbono 1080 com composição eutetoíde que foi temperado em água.
11-Nov-14
19
Dureza como função da concentração de carbono para um aço carbono martensítico comum, um aço martensítico revenido a 371ºC e um aço perlítico.
1. Um aço 1050 (ferro com 0,5%C) é rapidamente resfriado para 330ºC, mantido por 10 minutos nesta temperatura e depois resfriado para a temperatura ambiente. Qual é a microestrutura resultante? Qual é o nome desse tratamento térmico?
R: Microestrutura: 100% Bainita. Trat. Térmico: Austêmpera
Bainita
Perlita Fina
Perlita Grosseira
Martensita
Austenita
Diagrama TTT para aço hipoeutetoíde
11-Nov-14
20
2. (a) Um aço eutetoíde é (i) resfriado instantaneamente para 500ºC, (ii) mantido por 5 segundos, (iii) resfriado instantaneamente para temperatura ambiente, (iv) reaquecido para 300ºC por 1 hora e (v) resfriado para a temperatura ambiente. Qual é a microestrutura final?
(i)
(ii)
(iii)
Diagrama TTT para aço eutetoíde
Martensita
R: Mantido 5s a 500ºC, inicia a formação da perlita fina. Com o resfriamento até a temperatura ambiente, a austenita que restou se transforma em martensita (iii). Com o reaquecimento até 300ºC por 1h a martensita sofre revenimento. Microestrutura final: Perlita Fina + Martensita revenida
Perlita Fina
Perlita Grosseira
Bainita
Martensita
2. (b) Um aço carbono com 1,13%C recebe exatamente o mesmo tratamento térmico descrito na parte (a). Qual é a microestrutura resultante nesse caso?
(i)
(ii)
(iii)
Diagrama TTT para aço hipereutetoíde
R: Mantido 5s a 500ºC, praticamente toda austenita se transforma para perlita fina. Microestrutura final: Perlita Fina
11-Nov-14
21
Perlita Fina
Perlita Grosseira
Bainita
Martensita
3. (a) um aço carbono com 1,13%C recebe o seguinte tratamento térmico: (i) resfriado instantaneamente para 200ºC, (ii) mantido por 1 dia a essa temperatura e (iii) resfriado lentamente para temperatura ambiente. Qual é a microestrutura resultante?
(i)
(ii)
Diagrama TTT para aço hipereutetoíde
(iii)
R: Como 200ºC é acima de Ms (início de formação de martensita), toda a austenita se transforma em bainita. Microestrutura final: 100% Bainita
3. (b) Que microestrutura seria resultante se um aço carbono 0,5%C recebesse exatamente o mesmo tratamento térmico?
Bainita
Perlita Fina
Perlita Grosseira
Martensita
Austenita
Diagrama TTT para aço hipoeutetoíde
(i)
(ii)
R: Abaixo da Ms, toda austenita se transforma em martensita(*). Microestrutura Final: Quase 100% de Martensita (*) A formação completa da martensita depende da temperabilidade do aço. Aços hipoeutetoídes possuem menor temperabilidade, portanto, na prática, não se formará 100% de martensita.
11-Nov-14
22
4. Três aços eutetoídes diferentes recebem os seguintes tratamentos térmicos: (a) resfriados instantaneamente para 600ºC, mantidos por 2 minutos, depois resfriados para temperatura ambiente;
(i)
(ii) Perlita Fina
Bainita
Perlita Grosseira
Martensita (iii)
Diagrama TTT para aço eutetoíde
R: Mantido em 600ºC por 2 min, toda a austenita se transforma em perlita grosseira (Recozimento).
4. Três aços eutetoídes diferentes recebem os seguintes tratamentos térmicos: (b) resfriados instantaneamente para 400ºC, mantidos por 2 minutos, depois resfriados para temperatura ambiente.
Diagrama TTT para aço eutetoíde
(i)
(ii) Perlita Fina
Bainita
Perlita Grosseira
Martensita (iii)
R: Mantido em 400ºC por 2 min, grande parte da austenita se transforma em bainita e o restante em martensita. (Parecido com uma austêmpera)
11-Nov-14
23
4. Três aços eutetoídes diferentes recebem os seguintes tratamentos térmicos: c) resfriados instantaneamente para 100ºC, mantidos por 2 minutos, depois resfriados para temperatura ambiente.
Diagrama TTT para aço eutetoíde
(i)
(ii)
Perlita Fina
Bainita
Perlita Grosseira
Martensita (iii)
Diagrama TTT para aço eutetoíde
R: Mantido em 100ºC por 2 min, toda austenita se transforma em martensita (têmpera) Ordem decrescente de dureza: - amostra temperada; - amostra de autêmpera; - amostra recozida.
-Martensita é a fase mais dura, portanto, produzirá um aço de maior dureza. Depois da martensita a combinação bainita e martensita geram maior dureza e, por último, com menor dureza, se tem a ferrita e perlita grosseira do recozimento (fases mais macias).
6. Explique sucintamente por que a perlita fina é mais dura e mais resistente do que a perlita grosseira, que por sua vez é mais dura e mais resistente do que a cementita globulizada. R: A fase de reforço da perlita é a cementita, quanto mais denso e quanto menor o espaçamento entre lamelas de cementita mais resistente será a perlita. Como a perlita fina tem menor espaçamento entre lamelas e uma maior quantidade de cementita do que a perlita grosseira que, por sua vez, tem mais que a cementita esferoidizada, a ordem de resistência será perlita fina, perlita grosseira e cementita. Extrapolando o raciocíno, temos que a normalização, que gera perlita fina(*1) , produz aços com maior resistência mecânica que o recozimento, que gera a perlita grosseira(*2), que por sua vez, tem maior resistência mecânica do que aços esferoidizados (cementita esferoidizada). (*1) Para aços eutetoídes, a normalização produz somente a perlita fina. Para aços hipo e hipereutetoídes existe ainda uma fase proeutetoíde, ferrita e cementita, respectivamente. O mesmo raciocínio vale para o recozimento e esferoidização.
11-Nov-14
24
7. a) Cite os três fatores que influenciam o grau segundo o qual a martensita é formada ao longo de toda a seção reta em uma amostra de aço. (b) Para cada fator, diga como a extensão da formação de martensita pode ser aumentada.
(a) 1. Tamanho de amostra 2. Taxa de resfriamento 3. Banho de têmpera (b) 1. Quanto menor a amostra mais martensita se formará ao longo do corpo de prova. 2. Quanto maior a taxa de resfriamento mais martensita se formará. 3. Quanto menor a temperatura do banho mais martensita se formará.
8. Descreva as microestruturas típicas formadas durante os tratamentos térmicos de recozimento e normalização para aços hipoeutetoídes, eutetoídes e hipereutetoídes. Justifique com base na microestrutura porque a normalização gera uma peça com maior resistência mecânica do que o recozimento. R: Aços hipoeutetoídes: Normalização Ferrita proeutetoíde + perlita fina; Recozimento Ferrita proeutetoíde + perlita grosseira. Aços eutetoídes: Normalização Perlita fina Recozimento Perlita grosseira Aços hipereutetoídes: Normalização Cementita proeutetoíde + perlita fina Recozimento Cementita proeutetoíde + perlita grosseira A normalização gera a perlita fina, que é uma fase mais resistente do que a perlita grosseira, produto do recozimento. Portanto, a normalização gera um aço com melhor resistência mecânica do que no recozimento. Ressaltando que a maior resistência da perlita fina se deve ao menor espaçamento da fase de reforço (cementita) e maior densidade.
11-Nov-14
25
9. Um aço ao ser submetido à têmpera forma trincas devido à diferença de resfriamento da superfície para o centro. Quais opções de tratamento existem que permitem que ainda se tenha uma alta dureza? Qual desses tratamentos é mais viável economicamente? Por quê? Autêmpera e Martêmpera. A austêmpera é um processo mais econômico pois não necessita de uma etapa final de revenimento. 10. Quando se quer reduzir as propriedades mecânicas (dureza) e aumentar a ductilidade, para promover uma etapa de usinagem, quais tratamentos térmicos são aconselhados? Qual seria o mais eficaz em reduzir as propriedades mecânicas (dureza) e aumentar a ductilidade? Recozimento, Normalização e Esferoidização. O mais eficaz em aumentar a ductilidade é a esferoidização.
11. Classifique em função do comportamento mecânico (dureza) as fases e constituintes que aparecem no aço. (b) Com base na parte (a), classifiquem, em ordem decrescente de dureza alcançada, os tratamentos térmicos que produzem estas fases e constituintes. Martensita Martensita revenida Bainita Perlita Fina Perlita Grosseira Cementita esferoidizada Ferrita
Têmpera Têmpera e revenimento e/ou martêmpera Austêmpera Normalização Recozimento Esferoidização
11-Nov-14
26
Bibliografia
• Shackelford, J., Ciência dos Materiais, 6ª ed., SP:
Pearson Ed. do Brasil, 2008.
• Callister, W.D. Int. Ciência Eng. Mat., 5ª ed., RJ: LTC,
2002.
• Cardoso, A.V., Laboratório de Material Didático
Multimídia CETEC-MG, www.cienciadosmateriais.org
