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Transformações de Fases

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Transformações de Fases

1) Transformações envolvendo difusão

1a) Transformações alotrópicas, solidificação de metal puro, crescimento de grãos: Não existem alterações no número ou na composição das fases presentes.

1b) Transformações com alguma alteração nas fases presentes. Ex. reação eutetóide.

2) Transformações sem difusão onde ocorre a formação de uma fase metaestável

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Cinética das Reações no Estado Sólido

Como a maioria das reações dá origem à formação de novas fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As etapas de uma transformação são:

1) Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova fase.

2) Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que as condições de equilíbrio sejam atingidas.

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Núcleosdiminuem

Núcleoscrescem

Vari

açã

o d

a e

nerg

ia liv

re, G

Energia de livre de superfície

GS = 4r2

(necessita de energia para criar a interface, desestabiliza os

núcleos)

Energia livre volumétrica

GV = 4/3 r3 G

(libera energia)

GT = GS + GV (energia livre

total)

r* = raio crítico= tensão superficialG = energia livre / unidade de volume

Nucleação, crescimento e energia livre

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Cinética das Reações no Estado Sólido

A cinética de uma reação (= dependência com relação ao tempo da taxa de transformação) é fundamental para o tratamento térmico de materiais.

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Cinética das Reações no Estado Sólido

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Cinética das Reações no Estado Sólido

Nucleação Crescimento

Logaritmo do tempo de aquecimento

Fra

ção d

e t

ransf

orm

açã

o

y = fração de transformação k, n = constantest = tempo de aquecimento

y = 1- e-ktn(Equação de Avrami)

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Cinética das Reações no Estado Sólido

A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário para que metade da transformação ocorra:

Nucleação Crescimento

Logaritmo do tempo de aquecimento

Fra

ção d

e t

ransf

orm

açã

o

r = 1t0,5

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Cinética das Reações no Estado Sólido

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Cinética das Reações no Estado Sólido

Influência da temperatura sobre a taxa de transformação(Ex. recristalização do cobre)

Fraçã

o R

ecr

ista

lizado (

%)

Tempo (min)

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Influência da temperatura sobre a taxa de transformação

De uma maneira geral,

r = Ae -Q/RTA = constante independente de TQ = energia de ativação da reaçãoR = constante universal dos gases = 8,31 J/mol-KT = temperatura absoluta (K)

Processo termicamente ativado Temperatura Taxa

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Transformações multifásicas

Transformações de fase podem ocorrer em função de variações de temperatura, pressão e composição. Os tratamentos térmicos (=cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases) são a forma 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.

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Transformações multifásicas

Transformações fora das condições de equilíbrio ocorrem em temperaturas menores.

Super-resfriamento

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Transformações multifásicas

No aquecimento, o deslocamento se dá para temperaturas mais elevadas.

Sobreaquecimento

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Diagramas de Transformações Isotérmicas

+ Fe3C resfriamento

aquecimento

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perlita resfriamento

aquecimento

Diagramas de Transformações Isotérmicas

Porc

enta

gem

de P

erl

ita

Tempo (s)

Temperatura

Taxa de transformação

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Diagramas de Transformações Isotérmicas

Uma maneira mais conveniente de representar a dependência de uma reação com o tempo e a temperatura é o diagrama de transformação 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 ?

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Diagramas de Transformações Isotérmicas

Taxa de Nucleação

Taxa de Crescimento

Temperatura de transformação em equilíbrio

Taxa total de Transformação T

em

pera

tura

Taxa

(Difusão)

(Solidificação)

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Diagramas de Transformações Isotérmicas

Temperatura constante ao longo de toda a transformação

Porc

enta

gem

de

au

stenit

a t

ransf

orm

ad

a

em

perl

ita

Tempo (s)

Início da transformação

Final da transformação

Temperatura da transformação 675 °C

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Diagramas de Transformações Isotérmicas “Reais”

Indica a ocorrência de uma transformação

Transformação austenitaperlita

Perlita grosseira

Temperatura eutetóide

Austenita

Tem

pera

tura

(°C

)

Tempo (s)

Perlita fina

Temperaturas altas difusão em maiores distâncias camadas mais espessas

(Menor difusão = camadas mais finas)

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Perlita Grosseira Perlita Fina

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A perlita se torna mais fina com a redução da temperatura de transformação.

Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação de agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita. Esta estrutura é conhecida por bainita superior.

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Para temperaturas entre 200 e 300 °C ocorre a formação de placas finas de ferrita e partículas de cementita. Esta estrutura é conhecida por bainita inferior.

Perlita = estrutura lamelarBainita = agulhas ou placas

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A = austenita

P = perlita

B = bainita

Diagramas de Transformações Isotérmicas

Perlita

BainitaTaxa máxima

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Transformações perlíticas e bainíticas são concorrentes.

A taxa da transformação bainítica aumenta com o aumento da temperatura

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Cementita Globulizada

Se uma liga perlítica ou bainítica for aquecida e mantida por um tempo suficientemente longo a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide (ex. 700 °C, 18 a 24 horas), tem-se a formação da Cementita Globulizada.

CementitaFerrita

Partículas esféricas reduzem a área dos contornos entre as fases!

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Transformação martensítica

Quando a austenita é resfriada rapidamente (temperada) até temperaturas próximas à ambiente tem-se a formação de uma estrutura monofásica fora de equilíbrio: a martensita.

carbono

ferro

Estrutura Tetragonal de Corpo Centrado (TCC)

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Transformação martensítica

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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:

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Transformação martensítica

As linhas horizontais indicam que a transformação não depende do tempo. Ela é apenas uma função da temperatura de resfriamento! (transformação atérmica)

Tem

pera

tura

C)

Tempo (s)

Temperatura eutetóide

M (início)

Percentual de transformação de austenita em martensita

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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 outros elementos além do carbono altera o diagrama de transformação isotérmica.

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A maioria dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento 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 pois a liga tem de ser aquecida a uma temperatura maior que a temperatura eutetóide e então resfriada rapidamente e mantida a uma temperatura elevada!

No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas são deslocadas para tempos maiores e temperaturas menores.

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Diagrama de transformação por resfriamento contínuo

Transformação por resfriamento contínuo

Tem

pera

tura

(°C

)

Tempo (s)

Temperatura eutetóide

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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 durante o 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)

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Transformação por resfriamento contínuo: taxa

crítica de resfriamento.

MartensitaMartensita

+Perlita

Perlita

M (início)

Taxa crítica de resfriamento= taxa mínima para produção de uma estrutura totalmente martensítica

Tem

pera

tura

(°C

)

Tempo (s)

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Transformação porresfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento para

ligas.

A presença de outros elementos diminuem a taxa de resfriamento crítica.

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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

Índ

ice d

e d

ure

za B

rinell

Composição (%p C)

Lim

ite d

e e

scoam

ento

e r

esi

stênci

a à

tra

ção (

10

3 p

si)

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Limite de escoamento = tensão mínima para provocar deformação plástica (permanente).

Limite de resistência à tração = tensão máxima suportada sob tração sem sofrer fratura.

Ex. Esfera de 10 mm

P

D d

Dureza Brinell

HB =

2 2πD D- D -d

2P

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

A cementita é muito mais frágil que a

ferrita!

Alongamento

Redução de área

En

erg

ia d

e im

pact

o Izo

d (

ft-l

bf)

Composição (%p C)

Duct

ibili

dade (

%)

%p Fe3C

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Perlitafina

Perlitagrosseira

Composição (%p C)

Índ

ice d

e D

ure

za B

rinell

A perlita fina é mais dura que a perlita

grosseira! Existe forte aderência entre ferrita e cementita através dos contornos entre as fases e Fe3C. Quanto maior a área superficial, maior a dureza.

Os contornos de grão restringem o movimento de discordâncias. Assim, maior área superficial, maior dureza.

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Menor área de contorno de grãos por unidade de volume = menor dureza e maior ductibilidade

Cementita globulizada

Composição (%p C)

Índ

ice d

e D

ure

za B

rinell Perlita

fina

Perlitagrosseira

Cementitaglobulizada

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Bainita

Temperatura de transformaçao (°C)

Índic

e d

e d

ure

za B

rinell

Lim

ite d

e r

esi

stênci

a à

tra

ção (

MPa)

Bainita Perlita

Partículas mais finas

Maior resistênciaMaior dureza.

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Martensita

A liga de aço mais dura,

mais resistente emais frágil!

Índic

e d

e d

ure

za B

rinell

Composição (%p C)

Martensita

Perlita fina

A dureza está associada à eficiência dos átomos de carbono em restringir o movimento das discordâncias.

Como a austenita é mais densa que a martensita, ocorre aumento de volume durante a têmpera podendo causar trincas.

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Martensita Revenida

Após a têmpera, a martensita é tão frágil que não pode ser usada na maioria das aplicações.

Pode-se melhorar a ductibilidade e a tenacidade da martensita com um tratamento térmico, o revenido.

Revenido = aquecimento a temperaturas abaixo da temperatura eutetóide durante algum tempo seguido por resfriamento lento até a temperatura ambiente.

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

O revenido permite, através de processos de difusão, a formação da martensita revenida:

Martensita

(TCC, monofásica)

Martensita revenida

( + Fe3C)

Tratamento

térmico

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

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

CementitaFerrita

Martensita Lenticular

MartensitaAustenita

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

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

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Martensita Revenida

Martensita

Martensita revenida a 371°CD

ure

za B

rinell

Composição (%p C)

A martensita revenida é quase tão dura quanto a martensita! A fase contínua de ferrita confere ductibilidade à martensita revenida

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Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Martensita Revenida

Dure

za R

ock

well

C

Dure

za B

rinell

Tempo de tratamento (s)

Como o revenido envolve difusão do carbono, quanto maior a temperatura e/ou o tempo de tratamento, maior será a taxa de crescimento (=diminuição da área de contato entre os grãos) das partículas de Fe3C e, portanto, do amolecimento da martensita.

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Austenita(ferrita CFC)

Comportamento mecânico das ligas Fe-C

Resumo

Perlita( + Fe3C)

Bainita( + partículas Fe3C

Martensita(TCC)

Resfriamentolento

Resfriamentomoderado

Resfriamentorápido (têmpera)

Martensita revenida

Reaquecimento