aula 7.pdf - Unesp
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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7<br />
Ciência dos Materiais I<br />
Prof. Nilson C. Cruz
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Transformações de Fases
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Transformações de Fases<br />
1) Transformações envolvendo difusão<br />
1a) Transformações alotrópicas, solidificação de metal puro,<br />
crescimento de grãos: Não existem alterações no número ou na composição<br />
das fases presentes.<br />
1b) Transformações com alguma alteração nas fases presentes. Ex.<br />
reação eutetóide.<br />
2) Transformações sem difusão onde ocorre a formação de uma<br />
fase metaestável
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Cinética das Reações no<br />
Estado Sólido<br />
Como a maioria das reações dá origem à formação de novas<br />
fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As etapas<br />
de uma transformação são:<br />
fase.<br />
1) Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova<br />
2) Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que<br />
as condições de equilíbrio sejam atingidas.
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Variação da energia livre, ∆G<br />
Núcleos<br />
diminuem<br />
r* = raio crítico<br />
γ= tensão superficial<br />
∆G υ = energia livre / unidade de volume<br />
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Nucleação, crescimento e<br />
energia livre<br />
Energia de livre de superfície<br />
∆GS = 4πr2γ (necessita de energia para criar a<br />
interface, desestabiliza os núcleos)<br />
Núcleos<br />
crescem<br />
∆G T = ∆G S + ∆G V (energia livre total)<br />
Energia livre volumétrica<br />
∆G V = 4/3 πr 3 ∆G υ<br />
(libera energia)
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Cinética das Reações no<br />
Estado Sólido<br />
A cinética de uma reação (= dependência com<br />
relação ao tempo da taxa de transformação) é<br />
fundamental para o tratamento térmico de materiais.
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Cinética das Reações no<br />
Estado Sólido
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Fração de transformação<br />
Nucleação Crescimento<br />
Logaritmo do tempo de aquecimento<br />
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Cinética das Reações no<br />
Estado Sólido<br />
y = 1- e -kt n (Equação de Avrami)<br />
y = fração de transformação<br />
k, n = constantes<br />
t = tempo de aquecimento
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Cinética das Reações no<br />
Estado Sólido<br />
A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário para<br />
que metade da transformação ocorra:<br />
Fração de transformação<br />
Nucleação Crescimento<br />
Logaritmo do tempo de aquecimento<br />
r = 1<br />
t 0,5
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Cinética das Reações no<br />
Estado Sólido
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Cinética das Reações no<br />
Estado Sólido<br />
Influência da temperatura sobre a taxa de transformação<br />
(Ex. recristalização do cobre)<br />
Fração Recristalizado (%)<br />
Tempo (min)
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De uma maneira geral,<br />
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Influência da temperatura sobre<br />
a taxa de transformação<br />
r = Ae -Q/RT<br />
Processo termicamente ativado<br />
↑ Temperatura ↑ Taxa<br />
A = constante independente de T<br />
Q = energia de ativação da reação<br />
R = constante universal dos gases = 8,31 J/mol<br />
T = temperatura absoluta (K)
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Transformações multifásicas<br />
⇒ Transformações de fase podem ocorrer em função de variações<br />
de temperatura, pressão e composição. Os tratamentos térmicos<br />
(=cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases) são a<br />
forma mais conveniente de induzir transformações de fases.<br />
⇒ O diagrama de fases não indica o tempo necessário para<br />
transformações em equilíbrio.<br />
⇒ Na prática, os tempos de resfriamento necessários para as<br />
transformações entre estados de equilíbrio são inviáveis.
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Transformações multifásicas<br />
Transformações fora das condições de<br />
equilíbrio ocorrem em temperaturas menores.<br />
Super-resfriamento
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Transformações multifásicas<br />
No aquecimento, o deslocamento se dá par<br />
temperaturas mais elevadas.<br />
Sobreaquecimento
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Diagramas de Transformações<br />
Isotérmicas<br />
γ α + Fe 3C<br />
resfriamento<br />
aquecimento
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Porcentagem de Perlita<br />
resfriamento<br />
γ perlita<br />
aquecimento<br />
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Diagramas de Transformações<br />
Isotérmicas<br />
Tempo (s)<br />
↑ Temperatura<br />
↓ Taxa de transformação
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Diagramas de Transformações<br />
Isotérmicas<br />
Uma maneira mais conveniente de representar a dependência de uma<br />
reação com o tempo e a temperatura é o diagrama de transformação isotérmica:<br />
Temperatura (°C)<br />
Austenita<br />
(estável)<br />
Austenita<br />
(instável)<br />
Perlita<br />
Tempo (s)<br />
Temperatura eutetóide<br />
Curva de 50% de conclusão<br />
Curva de conclusão<br />
(100% de perlita)<br />
Curva de início<br />
(0% de perlita)<br />
Menor temperatura ⇒ maior taxa<br />
r = Ae -Q/RT ?
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Temperatura→<br />
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Diagramas de Transformações<br />
Isotérmicas<br />
Temperatura de transformação em equilíbrio<br />
Taxa de<br />
Nucleação<br />
Taxa →<br />
Taxa de<br />
Crescimento(Difusão)<br />
Taxa total de<br />
Transformação<br />
(Solidificação)
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Porcentagem de austenita<br />
transformada em perlita<br />
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Diagramas de Transformações<br />
Isotérmicas<br />
Temperatura constante ao longo de toda a transformação<br />
Temperatura da<br />
transformação 675 °C<br />
Início da<br />
transformação<br />
Tempo (s)<br />
Final da<br />
transformação
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Temperatura (°C)<br />
Transformação<br />
austenita→perlita<br />
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Diagramas de Transformações<br />
Isotérmicas “Reais”<br />
Austenita<br />
Tempo (s)<br />
Temperatura eutetóide<br />
Perlita<br />
grosseira<br />
Perlita fina (Menor difusão = camadas mais finas)<br />
Indica a ocorrência de<br />
uma transformação<br />
Temperaturas altas ⇒<br />
difusão em maiores<br />
distâncias ⇒ camadas mais<br />
espessas
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Perlita Grosseira Perlita Fina
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A perlita se torna mais fina com a redução da temperatura de<br />
transformação.<br />
Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação de<br />
agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita.<br />
Esta estrutura é conhecida por bainita superior.
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Para temperaturas entre 200 e 300 °C ocorre a formação de<br />
placas finas de ferrita e partículas de cementita. Esta estrutura é<br />
conhecida por bainita inferior.<br />
Perlita = estrutura lamelar<br />
Bainita = agulhas ou placas
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Diagramas de Transformações<br />
Isotérmicas<br />
Perlita<br />
Taxa máxima<br />
Bainita<br />
A = austenita<br />
P = perlita<br />
B = bainita
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Transformações perlíticas e bainíticas<br />
são concorrentes.<br />
A taxa da transformação bainítica<br />
aumenta com o aumento da temperatura
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Cementita Globulizada<br />
Se uma liga perlítica ou bainítica for aquecida e mantida por um<br />
tempo suficientemente longo a uma temperatura abaixo da temperatura<br />
eutetóide (ex. 700 °C, 18 a 24 horas), tem-se a formação da Cementita<br />
Globulizada.<br />
Partículas esféricas<br />
reduzem a área dos<br />
contornos entre as<br />
fases!<br />
Cementita<br />
Ferrita
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Transformação martensítica<br />
Quando a austenita é resfriada rapidamente (temperada)<br />
até temperaturas próximas à ambiente tem-se a formação de uma<br />
estrutura monofásica fora de equilíbrio: a martensita.<br />
ferro<br />
carbono<br />
Estrutura Tetragonal de Corpo Centrado (TCC)
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Transformação martensítica
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Transformação martensítica<br />
Não envolve difusão ⇒ transformação instantânea<br />
Duas diferentes microestruturas:<br />
menos de 0,6%p C ⇒ ripas mais de 0,6%p C ⇒ lentículas
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As linhas horizontais indicam<br />
que a transformação não<br />
depende do tempo. Ela é apenas<br />
uma função da temperatura de<br />
resfriamento! (transformação<br />
atérmica)<br />
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Transformação martensítica<br />
Temperatura (°C)<br />
Percentual de transformação<br />
de austenita em martensita<br />
M (início)<br />
Tempo (s)<br />
Temperatura eutetóide
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Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C,<br />
1,8% Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn<br />
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Transformação martensítica<br />
A presença de outros elementos além do carbono altera o<br />
diagrama de transformação isotérmica.
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Transformação por<br />
resfriamento contínuo<br />
Os tratamentos isotérmicos não são os mais práticos pois a liga tem<br />
de ser aquecida a uma temperatura maior que a temperatura eutetóide<br />
e então resfriada rapidamente e mantida a uma temperatura elevada!<br />
A maioria dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento contínuo<br />
até a temperatura ambiente ⇒ diagrama de transformação isotérmica<br />
não émais válido.<br />
No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas são deslocadas para<br />
tempos maiores e temperaturas menores.
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Temperatura (°C)<br />
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Diagrama de transformação por<br />
resfriamento contínuo<br />
Temperatura eutetóide<br />
Transformação por<br />
resfriamento contínuo<br />
Tempo (s)
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Diagrama de transformação por<br />
resfriamento contínuo<br />
Resfriamento moderadamente rápido e resfriamento lento<br />
Início da<br />
transformação<br />
Com a continuidade do resfriamento a<br />
austenita não convertida em perlita se<br />
transforma em martensita ao cruzar a<br />
linha M (início)<br />
Temperatura (°C)<br />
Resfriamento<br />
moderadamente rápido<br />
(normalização)<br />
M (início)<br />
Indica uma<br />
transformação durante<br />
o resfriamento<br />
Perlita<br />
fina<br />
Tempo (s)<br />
Resfriamento lento<br />
(recozimento total)<br />
Perlita<br />
grosseira<br />
Microestrutura
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Taxa crítica de resfriamento<br />
taxa mínima para produção de uma<br />
trutura totalmente martensítica<br />
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Transformação por<br />
resfriamento contínuo: taxa crítica<br />
de resfriamento.<br />
Temperatura (°C)<br />
Martensita<br />
Martensita<br />
+<br />
Perlita<br />
Tempo (s)<br />
M (início)<br />
Perlita
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A presença de outros<br />
elementos diminuem a taxa<br />
de resfriamento crítica.<br />
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Transformação por<br />
resfriamento contínuo: taxa crítica<br />
de resfriamento para ligas.
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A cementita é muito<br />
mais dura que a ferrita!<br />
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Limite de escoamento e resistência à tração (10 3 psi)<br />
%p Fe 3 C<br />
Limite de<br />
resistência à tração<br />
Dureza Brinell<br />
Limite de escoamento<br />
Composição (%p C)<br />
Índice de dureza Brinell
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Limite de escoamento = tensão mínima para provocar deformação plástica (permanente).<br />
Limite de resistência à tração = tensão máxima suportada sob tração sem sofrer<br />
fratura.<br />
x. Esfera de 10 mm<br />
P<br />
Dureza Brinell<br />
D d<br />
2P<br />
HB =<br />
πD D- D2-d2 ⎡<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
A cementita é muito mais<br />
frágil que a ferrita!<br />
Ductibilidade (%)<br />
Redução<br />
de área<br />
%p Fe 3 C<br />
Alongamento<br />
Composição (%p C)<br />
Energia de impacto Izod (ft-lb f )
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
A perlita fina é mais dura<br />
que a perlita grosseira!<br />
Existe forte aderência entre ferrita<br />
e cementita através dos contornos<br />
entre as fases α e Fe 3 C. Quanto maior a<br />
área superficial, maior a dureza.<br />
Os contornos de grão restringem o<br />
movimento de discordâncias. Assim,<br />
maior área superficial, maior dureza.<br />
Índice de Dureza Brinell<br />
Perlita<br />
fina<br />
Perlita<br />
grosseira<br />
Composição (%p C)
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Menor área de contorno de<br />
grãos por unidade de volume =<br />
menor dureza e maior ductibilidade<br />
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Cementita globulizada<br />
Índice de Dureza Brinell<br />
Perlita<br />
fina<br />
Perlita<br />
grosseira<br />
Cementita<br />
globulizada<br />
Composição (%p C)
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Partículas mais finas<br />
Maior resistência<br />
Maior dureza.<br />
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Índice de dureza Brinell<br />
Bainita<br />
Bainita Perlita<br />
Temperatura de transformaçao (°C)<br />
Limite de resistência à tração (MPa)
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A liga de aço mais dura,<br />
mais resistente e<br />
mais frágil!<br />
A dureza está associada à<br />
eficiência dos átomos de carbono<br />
em restringir o movimento das<br />
discordâncias.<br />
Como a austenita é mais<br />
densa que a martensita, ocorre<br />
aumento de volume durante a<br />
têmpera podendo causar trincas.<br />
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Martensita<br />
Índice de dureza Brinell<br />
Martensita<br />
Perlita fina<br />
Composição (%p C)
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Martensita Revenida<br />
Após a têmpera, a martensita é tão frágil que não pode ser<br />
usada na maioria das aplicações.<br />
Pode-se melhorar a ductibilidade e a tenacidade da<br />
martensita com um tratamento térmico, o revenido.<br />
Revenido = aquecimento a temperaturas abaixo da<br />
temperatura eutetóide durante algum tempo seguido por<br />
resfriamento lento até a temperatura ambiente.
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
O revenido permite, através de processos de<br />
difusão, a formação da martensita revenida:<br />
Martensita<br />
(TCC, monofásica)<br />
⇒<br />
Tratamento<br />
térmico<br />
Martensita revenida<br />
(α + Fe 3 C)
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Martensita Revenida<br />
(pequenas partículas de Fe 3 C em uma matriz de ferrita)<br />
Ferrita<br />
Cementita<br />
Martensita Lenticular<br />
Austenita<br />
Martensita
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Martensita Revenida Cementita Globulizada<br />
(9300X) (1000X)
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
A martensita revenida équase<br />
tão dura quanto a martensita!<br />
A fase contínua de ferrita<br />
confere ductibilidade à martensita<br />
revenida<br />
Martensita Revenida<br />
Dureza Brinell<br />
Martensita<br />
Martensita revenida<br />
a 371°C<br />
Composição (%p C)
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Como o revenido envolve<br />
difusão do carbono, quanto<br />
maior a temperatura e/ou o<br />
tempo de tratamento, maior<br />
será a taxa de crescimento<br />
(=diminuição da área de<br />
contato entre os grãos) das<br />
partículas de Fe 3C e,<br />
portanto, do amolecimento<br />
da martensita.<br />
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Martensita Revenida<br />
Dureza Rockwell C<br />
Tempo de tratamento (s)
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Perlita<br />
(α + Fe 3 C)<br />
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Comportamento mecânico das ligas<br />
Fe-C<br />
Resfriamento<br />
lento<br />
Resumo<br />
Austenita<br />
(ferrita CFC)<br />
Resfriamento<br />
moderado<br />
Bainita<br />
(α + partículas Fe 3 C<br />
Resfriamento<br />
rápido (têmpera)<br />
Martensita<br />
(TCC)<br />
Reaquecimento<br />
Martensita revenida
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