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