A8 - Cinética e microestrutura das transformações estruturais

Cinética vs. Equilíbrio• Diagramas de fase: sistema em equilíbrio termodinâmico, para o

qual os sistemas tendem, dado tempo suficiente

• Os Materiais, em geral, não são produzidos nem utilizados nos seus estados de equilíbrio

• Cinética refere-se à velocidade com que um dado processo ocorre – as variáveis principais são o tempo e a temperatura→conhecer a relação tempo-temperatura-microestrutura para

controlar propriedades do produto

Força motriz para uma transformação de fase

L→S

S→L

desordemenergiainterna

Superfícies internas

SSASW

fronteira das fases têm energia adicional – energia interfacial

•Quando a nova fase se forma (ou nucleia) em pontos aleatórios da fase-mãe –nucleação homogénea•Quando a nova fase se forma (ou nucleia) preferencialmente em pontos específicos da fase-mãe – nucleação heterogénea

Nucleação homogénea

clustering deátomos adjacentes

formação do núcleocristalino

crescimento da fasecristalina

Nucleação homogénea

r* ∝ (1/ΔT)

ΔG* ∝ 1/(ΔT)2

a barreira de energia paraa nucleação diminui com o grau de sobrearrefecimento

Velocidade e tempo de nucleação

nucleação homogénea é extremamente difícil de conseguir no laboratório→ competição da nucleação heterogénea

Nucleação heterogénea

A barreira de energia para nucleação heterogénea é sempre menor doque a barreira de energia para a nucleação homogénea→ a energia libertada pela eliminação da interface líquido-molde podefornecer energia para formar as interfaces líquido-sólido e sólido-molde

Crescimento duma nova faseX=1-exp[-(kt)n]

Tempo de incubação Crescimento da nova fase

Depleção do soluto ou impedimento físico

fracção de materialtransformado

Válido em geral, incluindo cristalização de polímeros

MSOffice1

Slide 9

MSOffice1 O tempo de incubação é função do sobrearrefecimento. O tempo de incubação é o tempo requerido para nuclear a fase.

X é a fracção de fase transformada.Joao Pedro Conde, 3/16/2008

Construção de diagrama TTT isotérmico (IT)

Diagrama TTT (transformação isotérmica) de um aço eutectóide

T=655 ºC 600 ºC 534 ºC 487 ºC

γ-Fe→α-Fe+Fe3C

Arrefecimento rápido até T, seguido de manutenção a esta temperatura

Fracção de perlite transformada

Diagrama TTT isotérmico para um aço eutectóide

Bainite

495 ºC 410 ºC

Mistura de ferrite e cementite não-lamelar (T<550 ºC)

ferrite

cementite

JP5

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JP5 Esta morfologia é energeticamente favorável em relação à perlite quando o sobrearrefecimento aumenta.Conde, 4/7/2003

Martensite

24 ºC -60 ºC -100 ºC

JP6

Slide 15

JP6 Se a austenite de composição 0.77 wt% C for arrefecida rapidamente a ~200 ºC, não forma uma mistura de ferrite e cementite por difusão. Um tipo diferente de transformação de fase, chamada atérmica, ou sem difusão, tem lugar. Deste modo, a quantidade de fase transformada depende apenas da temperatura, e não do tempo.Conde, 4/7/2003

Transformação martensítica

-20 %

+12%

Fase γ (austenite)

Fase BCT(martensite)

(atérmica, ou sem difusão)

aumento de volume causa tensões

JP7

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JP7 Embora os valores específicos de a e c dependam do teor em carbono da liga, o volume aumenta sempre quando a austenite se transforma emmartensite. Como resultado desta variação de volume, tensões internas significativas desenvolvem-se, e problemas com cracking podem ocorrer.Conde, 4/7/2003

Efeito do teor em Cferrite pró-eutectóide

Diagramas TTT• Os diagramas TTT (IT):

– Material num campo de 1-só fase– Instantâneamente arrefecido a uma dada temperatura– Mantido a essa temperatura durante um certo tempo

• Os diagramas TTT (CT-continuous transformation):– Utilizado quando o arrefecimento não é instantaneo– Mais adequado numa operação comercial, quando são

utilizadas peças grandes e de forma complexa

Diagrama TTT-CT para um aço eutectóide

Métodos de têmpera(direct quench)

“revenido”têmpera

a martensite é dura mas frágil → necessário aumentar ductilidade

Métodos de têmpera(martêmpera)

Minimiza gradientes térmicos no interior da amostra que podem levarà formação de fissuras na superfície

Propriedades mecânicas

Solidificação e homogeneização duma ligaem equilíbrio (arrefecimento muito lento)

Solidificação e homogeneização duma liga fora do equilíbrio

Assumiu-se:1. Difusão no estado sólido desprezável2. Mistura completa no líquido3. A qualquer temperatura, a composição

do sólido e do líquido em contactona interface é dado pelo diagramade equilíbrio

Próximas aulas[Estrutura dos materiais]Propriedades mecânicas dos materiais I (A9 e A10, dias 10 e 11 de Abril)

Próxima aula prática P5 (8 e 9 de Abril):- discussão do TPC5- diagramas ternários

TPC5 devido sexta-feira, dia 11 de Abril

Leitura: “Thermodynamics of condensed phases, Kinetic processes in materials”, B.S. Mitchell, An Introduction to Materials Engineering and Science for Chemical and Materials Engineers, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, USA, 2004.