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RESUMO DE ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS METÁLICOS As transformações se dão em duas principais partes: Nucleação: Formação de partículas (ou núcleos), muito pequenos da nova fase, às vezes submicroscópicos. Os sítios defeituosos, principalmente os contornos de grão são os lugares mais propensos a ocorrer esta nucleação. Crescimento: nesse estágio os núcleos crescem, ocorrendo perda de volume da fase inicial. Se houver tempo necessário a transformação ocorre até atingir o equilíbrio.

Resumo Metálicos

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RESUMO DE ESTRUTURA E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS METÁLICOS

As transformações se dão em duas principais partes:

Nucleação: Formação de partículas (ou núcleos), muito pequenos da nova fase, às

vezes submicroscópicos. Os sítios defeituosos, principalmente os contornos de grão

são os lugares mais propensos a ocorrer esta nucleação.

Crescimento: nesse estágio os núcleos crescem, ocorrendo perda de volume da fase

inicial. Se houver tempo necessário a transformação ocorre até atingir o equilíbrio.

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A temperatura desempenha um papel muito importante nas transformações metálicas.

Como ilustra a figura a seguir.

Quanto maior a temperatura maior a taxa de difusão.

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Representação de como são traçadas as curvas TTT.

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.

Transformação de uma liga eutetóide

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MICROESTRUTURAS

Perlita Grosseira:

São camadas mais espessas de Ferrita e Cementita. Ocorre em temperaturas logo abaixo do

Eutetóide, onde a taxa de difusão é alta, permitindo que os átomos de carbono alcancem

distancias maiores, assim aumentando a grossura das lamelas.

Perlita Fina:

Mais abaixo do eutetóide por volta de 540 graus a taxa de difusão diminui, com isso os átomos

de carbono atingem distancias menores, diminuindo a espessura das lamelas .

Bainita Superior:

A Bainita Superior se forma mais abaixo da Perlita Fina, aproximadamente entre 300 e 540

Graus. Nela a Cementita se dá através de estreitas tiras alongadas (parecidas com agulhas),

inseridas numa matriz de ferrita.

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Bainita Inferior:

A Bainita Inferior se forma ainda mais abaixo da Bainita Superior, entre 200 e 300 graus. Nela a

Ferrita se encontra como placas finas, e partículas estreitas (Parecidas com bastões) de

Cementita se formam no interior dessas placas de ferrita.

Cementita Globulizada:

A Cementita Globulizada é obtida aquecendo uma liga perlítica ou bainítica a uma temperatura

abaixo da temperatura eutetóide por um intervalo de tempo suficientemente grande para que

ocorra a difusão. Nela a fase Cementita é encontrada em formas esféricas dentro de uma

matriz de ferrita, a força motriz para a transformação em cementita Globulizada é a redução

da área de contorno de fase ferrita-cementita.

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Martensita:

A Martensita é uma estrutura monofásica, que se forma com taxas de resfriamento tão rápidas

que não permitem que ocorra difusão, assim a estrutura CFC austenítica é transformada em

TCC (Tetragonal de Corpo Centrado), onde os átomos de carbono são tidos como impurezas

intersticiais. Qualquer difusão que venha a ocorrer resultará na formação de ferrita e

cementita.

A Martensita pode ser encontrada com duas microestruturas muito diferentes:

1. RIPAS:

Para ligas com menos de 0,6% de C. São Ripas Contínuas agrupadas lado a lado, e essas

ripas fazem parte de conjuntos maiores, os blocos. Os detalhes dessa microestrutura são

finos demais para serem observados por microscopia ótica

2. LENTICULAR:

Encontradas em ligas com mais de 0,6% de C. Constituída por agulhas incrustada numa

matriz de austenita que não se transformou.

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MARTENSITA EM RIPAS MARTENSITA LENTICULAR

A adição de elementos de liga pode causar alterações significativas nas curvas do diagrama

TTT. Tais como deslocamento do joelho de transformação perlítica para tempos mais

longos, criação de um joelho próprio para a transformação bainítica e aumento da

temperatura da transformação martensítica. Como observado abaixo:

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PROPRIEDADES MECANICAS

Todas as microestruturas acima citadas com exceção da Martensita são formadas por

duas fases, ferrita e cementita. A cementita é muita mais dura e resistente, enquanto a

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ferrita é mais dúctil, com isso pode-se explorar combinações entre as duas fases para

se obter o comportamento desejado.

Como a cementita é mais dura e frágil, o seu aumento causa uma melhora na

resistência e dureza do material, mas em contrapartida a ductilidade e tenacidade

serão reduzidas consideravelmente. Como é ilustrado abaixo:

Perlita:

A espessura de cada fase (ferrita/cementita) influencia no comportamento mecânico das

ligas. Quanto mais finas as lamelas mais resistente será o material.

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A explicação para isso se encontra nos contornos de fase. Primeiramente existe uma forte

aderência entre as duas fases, com isso a cementita, que é resistente e dura “reforça” a

ferrita, não permitindo grandes níveis de deformação nas regiões próximas ao contorno.

Como na Perlita fina a área de contornos de fase é bem maior (devido a menor espessura),

o “reforço” na ferrita se torna substancialmente maior. E também se sabe que os

contornos são bloqueios para o movimento das discordâncias, assim quanto maior a área

de contornos, maior será a restrição ao movimento. Com isso conclui-se que a Perlita fina

é mais dura e resistente, e a Perlita grossa e mais dúctil, como observado abaixo:

Cementita Globulizada:

A cementita Globulizada apresenta a maior ductilidade e menor dureza que qualquer outro

tipo de microestrutura, isso novamente vem da restrição de movimento fornecida pelos

contornos de fase, e do reforço exercido pela cementita na ferrita na região do contorno.

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Como a Cementita Globulizada tem menor área de contornos de fase, logo fornece menos

restrição ao movimento e reforça menos a ferrita.

Bainita:

Os aços bainíticos como apresentam uma estrutura mais fina, são mais duros e resistentes que

os perlíticos, porém apresentam também uma combinação desejável de resistência e

ductilidade.

Martensita:

Dentre todas microestruturas possíveis em uma liga de aço, a Martensita é a mais resistente,

dura e também a mais frágil, sua ductilidade chega a ser desprezível. Diferente dos aços

perlíticos e bainíticos a sua dureza não provem de sua microestrutura, e sim dos átomos de

carbonos situados intersticialmente inibindo o movimento das discordâncias (solução sólida), e

também dos poucos sistemas de escorregamento presentes na Martensita.

A Austenita é mais densa que a Martensita, por isso na transformação há um ganho de

volume. Assim peças muito grandes podem trincar se temperadas.

Martensita Revenida:

A Martensita é tão dura e frágil que não pode ser usada para a maioria das aplicações, e, além

disso, qualquer tensão interna que possa ter sido introduzida durante a têmpera pode causar

enfraquecimento. Para melhorar a ductilidade e tenacidade, e também aliviar as possíveis

tensões internas se faz um tratamento chamado revenido.

O revenido consiste em aquecer a peça a temperaturas relativamente altas, mas abaixo da

temperatura eutetóide, por um determinado intervalo de tempo, para que através de

processos do difusão a reação abaixo se ocorra:

Onde a Martensita TCC monofásica se transforme por difusão em cementita e ferrita, onde a

cementita é dividida em partículas muito pequenas distribuídas uniformemente em uma

matriz de ferrita, a estrutura é semelhante à da cementita Globulizada, mas difere no tamanho

das partículas de cementita, que na Martensita revenida são muito menores, aumentando

assim sua resistência.

Como o revenido se dá através da difusão, as variáveis que influenciam o processo são tempo

e temperatura, com isso quanto mais tempo e quanto maior for a temperatura, mais as

partículas de cementita crescerão, e assim o aço ficará mais macio e menos resistente.

TRATAMENTO TÉRMICO

Ao se temperar uma peça não é possível o resfriamento uniforme ao longo de todo seu

comprimento, as camadas superficiais se resfriam a uma taxa mais elevada do que o interior.

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Com isso pode-se ocorrer a formação de microestruturas diferentes no interior da peça, o que

não é viável.

O sucesso da formação da Martensita depende de três fatores principais:

Composição da liga (tais como concentração de C, e elementos de liga)

Geometria da peça

Tipo e meio de resfriamento.

Endurecibilidade: É a medida de quão tratável termicamente o material é, ou seja, quanta

Martensita se forma ao longo do corpo.

ENSAIO DE JOMINY: O Ensaio de Jominy é utilizado para verificar a endurecibilidade de uma

liga de aço. Nele todos os parâmetros que influenciam a formação da Martensita (geometria

da peça, e tipo de resfriamento) são mantidos constantes, somente a composição muda.

O ensaio consiste em aquecer um corpo de prova cilíndrico com medidas especificas, durante

um intervalo de tempo pré-determinado, a uma temperatura específica até que toda sua

estrutura se torne austenítica, e então este corpo é rapidamente posicionado sobre um

suporte onde sua parte inferior recebe um jato de água (com vazão e temperatura pré-

determinadas), com isso a taxa de resfriamento diminui ao longo do corpo de prova. Após o

corpo se resfriar até a temperatura ambiente, chanfros são feitos ao longo de toda sua

extensão e são realizadas medidas de dureza nesses chanfros. A partir deste ensaio uma curva

de endurecibilidade é plotada.

Curvas de endurecibilidade: As curvas de endurecibilidade mostram a temperabilidade do aço,

como são plotadas a partir do ensaio de Jominy, mostram com precisão a formação de

Martensita ao longo da peça. Na superfície da peça, para a maioria dos aços a formação de

Martensita é de 100%, e vai diminuindo ao longo do comprimento da peça. Isso é explicado

pelo fato de no interior da peça a taxa de resfriamento ser menor, e com isso há tempo para

que ocorra a difusão do carbono, e com isso a formação de Perlita ou Bainita aliadas a

Martensita. Cada tipo de aço possui uma curva exclusiva de endurecibilidade.

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AÇOS

Aços baixo Carbono: Os aços baixo carbono são os produzidos em maior quantidade,

contem menos que 0,25% de C, e por isso não são tratáveis termicamente (não

contem carbono suficiente para forçar a estrutura Austenítica se deformar para TCC).

O Aumento de resistência é adquirido por trabalho a frio. Tem normalmente baixa

dureza e resistência, mas apresentam alta ductilidade e tenacidade.

Aços alta resistência e baixa liga ( high strength low alloy) : São aços com baixo teor

de carbono e com outros elementos de liga, mas não ultrapassando 10%p, apresentam

resistência e dureza superiores à dos aços baixo carbono simples.

Aços médio Carbono: Possuem concentrações de C entre 0,25 e 0,6%p, podem ser

tratadas termicamente, mas como sua composição de carbono e relativamente baixa

forma somente Martensita superficial, mas a adição de elementos de liga pode

melhorar a temperabilidade destes aços. Resistentes à abrasão.

Aços alto Carbono: Contem entre 0,6 e 1,4%p de C, devido à alta concentração de

carbono são os mais resistentes e duros, mas, porém são também os mais frágeis, e

por isso são quase sempre usados endurecidos e revenidos. Tem alta temperabilidade.

Aços Ferramenta.

Aços Inox: São divididos em três principais grupos: Ferriticos, Austeniticos, e

Martensisticos, de acordo com sua microestrutura predominante. A adição de

elementos de liga que lhes conferem propriedades inoxidantes, cromo em pelos

menos 12%, níquel se o ambiente for rico em cloretos, e molibdênio.

FERRITICOS: Têm como microestrutura principal a ferrita, não são tratáveis

termicamente (pois o cromo restringe o campo austenítico, assim estabilizando a

ferrita, e por isso esses inox não passam pela transformação Ferrita-Austenita ) e são

os mais dúcteis e menos resistentes.

AUSTENITICOS: A adição de elementos de liga causam grandes mudanças no diagrama

de fases sistema Fe-Fe3C, podendo em alguns casos tornar a austenita estável à

temperatura ambiente (elevados teores de níquel), que é o caso dos aços inox

Austeníticos, por isso não são tratáveis termicamente e só podem ser endurecidos

pelo trabalho a frio. Não são magnéticos, e são os mais resistentes a corrosão devido à

maior concentração de elementos de liga. Podem trabalhar em altas temperaturas.

MARTENSÍTICOS: Tem como estrutura principal a Martensita, são tratáveis

termicamente e magnéticos, são os mais resistentes entre os inox.

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FERROS FUNDIDOS

São ligas ferrosas com concentrações de carbono acima de 2,14%p, e apresentam um ponto de

fusão relativamente menor em relação aos aços, por isso são indicados para fundição.

Como a cementita é metaestável ela se dissocia formando Fe e Grafita de acordo com a

reação:

Ou seja, a grafita se precipita.

A tendência de precipitação da grafita é regulada pela taxa de resfriamento e pela composição.

O silício aumenta a capacidade de se precipitar grafita, e taxas de resfriamento menores

também favorecem esse fenômeno.

Ferro Fundido Cinzento: Com concentrações de Silício entre 1 e 3% e Carbono entre

2,5 e 4%. Nele a Grafita precipitada se apresenta em forma de flocos incrustados em

uma matriz de ferrita ou Perlita. É relativamente fraco em cargas de tração, devido à

sua microestrutura, pois as pontas dos flocos de grafita são pontiagudas e podem

atuar como concentradores de tensão, resistência e ductilidade são muito maiores sob

cargas de compressão. São muito eficientes no amortecimento de energia vibracional.

Devido a sua fácil fusão e moldagem, resistência mecânica aceitável, boa usabilidade e

baixo preço é o ferro fundido mais utilizado.

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Ferro Fundido Dúctil (Nodular): A adição de magnésio ou cério ao ferro cinzento antes

da fundição muda a forma com que a grafita se precipita, agora em vez de flocos ela

forma nódulos de grafita em uma matriz de ferrita ou de Perlita, dependendo da taxa

de resfriamento. Tanto sua resistência e sua ductilidade são maiores que as do Ferro

Cinzento.

Ferro Fundido Branco e Ferro Fundido Maleável: Como é o Silício que confere ao

material a propriedade de precipitação de grafita, reduzindo a quantidade de Silício e

aumentando a taxa de resfriamento a maioria do carbono se apresentará na forma de

Cementita, (Ferro Fundido Branco). Somente camadas finas podem apresentar ferro

fundido branco, pois em peças mais espessas a taxa de resfriamento no interior não

será alta o suficiente para que a grafita não se difunda. Devido a grande concentração

de cementita o ferro branco é extremamente frágil e duro, e extremamente resistente

ao desgaste, o que torna sua usinagem é virtualmente impossível.

O Ferro Branco é comumente usado como processo intermediário na fabricação do

Ferro Maleável. Aquecendo o Ferro Branco durante um período longo e em

temperaturas por volta de 800 e 900 (Temperatura bem acima da temperatura de

transformação) a Cementita se dissocia em Grafita que se apresenta na forma de

rosetas incrustadas em uma matriz de ferrita ou Perlita, dependendo da taxa de

resfriamento e se ainda houver carbono combinado.