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Transformações de Fases dos metais

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Transformações de Fases dos metais

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Por que estudar as Transformações de Fases?

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Propriedades

EstruturaProcessamento

Tratamento

Térmico

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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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Page 5: Transformação de Fases.pdf

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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Page 7: Transformação de Fases.pdf

Transformação de Fases em Metais

Para transformações em estado sólido que exibem ocomportamento cinético, a fração da transformação éuma função do tempo:

7

)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

Page 8: Transformação de Fases.pdf

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.

8

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

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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

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Transformações fora das condições deequilíbrio ocorrem em temperaturas menores.

Super-resfriamento

Transformação de Fases em Metais

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No aquecimento, o deslocamento se dá paratemperaturas mais elevadas.

Sobreaquecimento

Transformação de Fases em Metais

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+ Fe3Cresfriamento

aquecimento

Diagramas de Transformações Isotérmicas

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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

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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

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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

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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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Page 17: Transformação de Fases.pdf

Perlita Grosseira Perlita Fina

Diagramas de Transformações Isotérmicas

A perlita se torna

mais fina com a

redução da

temperatura de

transformação.

Page 18: Transformação de Fases.pdf

18

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.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

Page 29: Transformação de Fases.pdf

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

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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

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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

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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)

Page 33: Transformação de Fases.pdf

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

Page 34: Transformação de Fases.pdf

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

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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

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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

Page 37: Transformação de Fases.pdf

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

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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

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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

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Martensita Revenida(pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita)

CementitaFerrita

Martensita Lenticular

MartensitaAustenita

Comportamento mecânico das ligas Fe-C

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Martensita Revenida Cementita Globulizada(9300X) (1000X)

Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Page 42: Transformação de Fases.pdf

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

Page 43: Transformação de Fases.pdf

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

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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

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Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Fe-C