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Transformações de Fases dos metais
Por que estudar as Transformações de Fases?
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Propriedades
EstruturaProcessamento
Tratamento
Térmico
Conceitos Fundamentais
Transformação de fase é a alteração no númerosde fases e/ou na natureza da fase que envolvealguma alteração na microestrutura
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Transformação de Fases em Metais
1. Dependentes da Difusão
sem alterações na composição de fase ou números defase presentes. EX: solidificação, transformaçõesalotrópicas, recristalização, etc.
Com alguma alteração na composição das fases e nonúmero de fases também. (Reações eutetóide, eutética eperitética).
2. Sem dependência da Difusão
resultando numa fase metaestável (Transformaçãomartensítica).
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Transformação de Fases em Metais
O processo de transformação de fase envolve:
a) Nucleação: formação depequenas partículas (núcleos)da nova fase. Esses núcleos sãoformados nos contornos de grãoe em outros defeitos.
Crescimento de uma nova fasea partir da fase original(desaparecimento desta).
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Transformação de Fases em Metais
O processo de transformação de fase envolve:
a) Nucleação: formação depequenas partículas (núcleos)da nova fase. Esses núcleos sãoformados nos contornos de grãoe em outros defeitos.
Crescimento de uma nova fasea partir da fase original(desaparecimento desta).
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Transformação de Fases em Metais
Para transformações em estado sólido que exibem ocomportamento cinético, a fração da transformação éuma função do tempo:
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)exp(1 nkty Onde:
k e n são constantes
independentes do tempo.
Equação de Avrami
taxa de transformação é o inverso
do tempo necessário para que a
transformação prossiga até metade
da sua transformação.
5,0
1
tr
Transformação de Fases em Metais
A temperatura é umadas variáveis que estásujeita a controle e elapode ter umainfluência profundasobre a cinética e,portanto, sobre a taxade transformação.
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RTQAer /Onde:
R= a constante dos gases;
T= temperatura absoluta;
A= constante independente da temperatura;
Q= energia de ativação específica para a
reação em questão.
Cobre Puro
A taxa aumenta em função
do aumento da temperatura
Transformações de fase podem ocorrer em função de variaçõesde temperatura, pressão e composição. Os tratamentos térmicos(=cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases) são aforma mais conveniente de induzir transformações de fases.
O diagrama de fases não indica o tempo necessário para
transformações em equilíbrio.
Na prática, os tempos de resfriamento necessários para as
transformações entre estados de equilíbrio são inviáveis.
Transformação de Fases em Metais
Transformações fora das condições deequilíbrio ocorrem em temperaturas menores.
Super-resfriamento
Transformação de Fases em Metais
No aquecimento, o deslocamento se dá paratemperaturas mais elevadas.
Sobreaquecimento
Transformação de Fases em Metais
+ Fe3Cresfriamento
aquecimento
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS
Formação da Perlita (Influência datemperatura na taxa detransformação).
Os dados da curva foramcoletados para uma amostracomposta inicialmente de 100% deaustenita e resfriada até atemperatura indicada no gráfico,na qual se processou atransformação.
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Reação Eutetóide
Digrama de transformaçãoisotérmica (Diagrama TTT –transformação-tempotemperatura): Gerado apartir de uma série decuravas em forma de S.
a maneira mais convenientede representartransformações de fasesdependentes tantos dotempo quanto datemperatura.
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727°C
Uma maneira mais conveniente de representar a dependência deuma reação com o tempo e a temperatura é o diagrama detransformação isotérmica:
Tem
pera
tura
(°C
)
Temperatura eutetóide
Tempo (s)
Perlita
Curva de 50% de conclusão
Curva de conclusão
(100% de perlita)
Curva de início(0% de perlita)
Austenita(instável)
Austenita(estável)
Menor temperatura maior taxa
r = Ae -Q/RT ?
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide, mostrando a superposição dacurva para um tratamento térmico isotérmico (ABCD).
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Perlita Grosseira Perlita Fina
Diagramas de Transformações Isotérmicas
A perlita se torna
mais fina com a
redução da
temperatura de
transformação.
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Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Bainita
Formada pelas fases ferrita ecementita em forma de agulhasou placas.
É produto da transformação emtemperaturas entre 215º e 540º
Confere elevada dureza emantem a tenacidade domaterial.
Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação deagulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita.Esta estrutura é conhecida por bainita superior.
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Para temperaturas entre 200 e 300 °C ocorre a formação deplacas finas de ferrita e partículas de cementita. Esta estrutura éconhecida por bainita inferior.
Perlita = estrutura lamelarBainita = agulhas ou placas
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Transformações perlíticas e bainíticassão concorrentes.
A taxa da transformação bainítica aumenta com o aumento da temperatura
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Cementita Globulizada
Se uma liga perlítica ou bainítica for aquecida e mantida por um temposuficientemente longo a uma temperatura abaixo da temperaturaeutetóide (ex. 700 °C, 18 a 24 horas), tem-se a formação da CementitaGlobulizada.
CementitaFerrita
Partículas esféricasreduzem a área doscontornos entre asfases!
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Transformação martensítica
Quando a austenita (CFC) é resfriada rapidamente(temperada) até temperaturas próximas à ambiente tem-se aformação de uma estrutura monofásica fora de equilíbrio: amartensita.
carbono
ferro
Estrutura Tetragonal de Corpo Centrado (TCC)
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Transformação martensítica
Não envolve difusão transformação instantânea
menos de 0,6%p C ripas mais de 0,6%p C lentículas
Duas diferentes microestruturas:
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Transformação martensítica
As linhas horizontais indicamque a transformação nãodepende do tempo. Ela é apenasuma função da temperatura deresfriamento! (transformaçãoatérmica)
Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide
M (início)
Percentual de transformação de austenita em martensita
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Transformação martensítica
Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C,
1,8% Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn
A presença de outroselementos além docarbono altera odiagrama detransformaçãoisotérmica.
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
A maioria dos tratamentos térmicos envolve oresfriamento contínuo até a temperatura ambiente
diagrama de transformação isotérmica não é mais válido.
Transformação por resfriamento contínuo
Os tratamentos isotérmicos não são os mais práticos poisa liga tem de ser aquecida a uma temperatura maior que atemperatura eutetóide e então resfriada rapidamente emantida a uma temperatura elevada!
No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas sãodeslocadas para tempos maiores e temperaturas menores.
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Diagrama de transformação por resfriamento contínuo
Transformação por resfriamento contínuo
Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Diminuição da temperatura aumento do tempo
Diagrama de transformação por
resfriamento contínuo
Resfriamento moderadamente rápido e resfriamento lento
Resfriamento moderadamente rápido
(normalização)
Resfriamento lento (recozimento total)
Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
transformação duranteo resfriamento
Indica uma
Início da transformação
Perlitafina
Perlitagrosseira
MicroestruturaCom a continuidade do resfriamento a austenita não convertida em perlita se transforma em martensita ao cruzar a linha M (início)
M (início)
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Transformação porresfriamento contínuo:
taxa crítica de resfriamento.
Taxa crítica de resfriamento = taxa mínima para produção de uma estrutura totalmente martensítica
MartensitaMartensita
+Perlita
Perlita
M (início)Tem
pera
tura
(°C
)
Tempo (s)
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Transformação porresfriamento contínuo:
taxa crítica de resfriamento para ligas.
A presença de outroselementos diminuem a taxade resfriamento crítica.
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
A cementita é muito mais dura que a ferrita!
%p Fe3C
Limite de resistência à tração
Dureza Brinell
Limite de escoamento
Índic
e d
e d
ureza
Bri
nell
Composição (%p C)
Lim
ite d
e e
scoa
ment
o e r
esi
stênc
ia à
tra
ção
(10
3ps
i)
A cementita é muito mais frágil que a ferrita!
Alongamento
Redução de área
Ene
rgia
de im
pact
o Iz
od (
ft-l
bf)
Composição (%p C)
Duc
tibilid
ade (
%)
%p Fe3C
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Perlitafina
Perlitagrosseira
Composição (%p C)
Índic
e d
e D
ureza
Bri
nell
A perlita fina é mais dura que a perlita grosseira!
Existe forte aderência entre ferritae cementita através dos contornosentre as fases e Fe3C. Quanto maior aárea superficial, maior a dureza.
Os contornos de grão restringem omovimento de discordâncias. Assim,maior área superficial, maior dureza.
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Menor área de contorno degrãos por unidade de volume =menor dureza e maior ductibilidade
Cementita globulizada
Composição (%p C)
Índ
ice d
e D
ureza
Bri
nell Perlita
fina
Perlitagrosseira
Cementitaglobulizada
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Bainita
Temperatura de transformaçao (°C)
Índic
e d
e d
ureza
Bri
nell
Lim
ite d
e r
esi
stênc
ia à
tra
ção
(MPa
)
Bainita Perlita
Partículas mais finasMaior resistência
Maior dureza.
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
A liga de aço mais dura,mais resistente e
mais frágil!
Índic
e d
e d
ureza
Bri
nell
Composição (%p C)
Martensita
Perlita fina
A dureza está associada àeficiência dos átomos de carbonoem restringir o movimento dasdiscordâncias.
Como a austenita é maisdensa que a martensita, ocorreaumento de volume durante atêmpera podendo causar trincas.
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita
Martensita Revenida
Após a têmpera, a martensita é tão frágil que não pode serusada na maioria das aplicações.
Pode-se melhorar a ductibilidade e a tenacidade damartensita com um tratamento térmico, o revenido.
Revenido = aquecimento a temperaturas abaixo datemperatura eutetóide durante algum tempo seguido porresfriamento lento até a temperatura ambiente.
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
O revenido permite, através de processos dedifusão, a formação da martensita revenida:
Martensita
(TCC, monofásica)
Martensita revenida
( + Fe3C)
Tratamentotérmico
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida(pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita)
CementitaFerrita
Martensita Lenticular
MartensitaAustenita
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida Cementita Globulizada(9300X) (1000X)
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
Martensita
Martensita revenidaa 371°CD
ureza
Bri
nell
Composição (%p C)
A martensita revenida é quase tão dura quanto a martensita!
A fase contínua de ferritaconfere ductibilidade à martensitarevenida
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
Dur
eza
Roc
kwell
C
Dur
eza
Bri
nell
Tempo de tratamento (s)
Como o revenido envolvedifusão do carbono, quantomaior a temperatura e/ou otempo de tratamento, maiorserá a taxa de crescimento(=diminuição da área decontato entre os grãos) daspartículas de Fe3C e,portanto, do amolecimentoda martensita.
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Austenita(ferrita CFC)
Resumo
Perlita( + Fe3C)
Bainita( + partículas Fe3C
Martensita(TCC)
Resfriamentolento
Resfriamentomoderado
Resfriamentorápido (têmpera)
Martensita revenida
Reaquecimento
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C
Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C