Diagrama FeC_curvas de Resfriamento_2013
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Pag. 1 FACENS
Diagrama Fe-C Curvas de Resfriamento
Desenvolvimento: Antonio Carlos Gomes Jr.
Ref.: Metals Handbook / www.key-to-steel.com
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
Os aços podem apresentar uma grande variedade de
propriedades dependendo da composição, bem como as
fases e micro-constituintes presentes, que por sua vez
dependem do tratamento térmico.
A base para a compreensão do tratamento térmico dos
aços é o diagrama de fase Fe-C. Na verdade, inclui dois
diagramas; o diagrama ferro grafite estável e o diagrama
Fe-Fe3C metaestável. A condição estável normalmente
leva um tempo muito longo para desenvolver,
especialmente na gama de baixa temperatura e baixo teor
de carbono, portanto, o diagrama metaestável é de maior
interesse
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Princípios de Tratamento Trmico
O aço é geralmente definido como uma liga de ferro e
carbono com o teor de carbono entre centésimo até cerca
de 2% em peso. Outros elementos de liga pode chegar no
total a cerca de 5% em peso em aços denominados de
baixa liga e para os aços mais alta liga, tais como aços
ferramenta, aços inoxidáveis (> 10,5%) e resistentes ao
calor aços CrNi (> 18%) a porcentagem é elevada. Aços
podem apresentar uma grande variedade de propriedades
dependendo da composição, bem como as fases e micro-
constituintes presentes, que por sua vez dependem do
tratamento térmico como já citado, reforça-se este ponto.
Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
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Diagrama de fase Fe-C
A base para a compreensão do tratamento térmico dos aços
é o Fe-C diagrama de fase (Fig. 1 – pg 05). A Figura 1
mostra realmente dois diagramas; o diagrama de ferro
fundido-estável (linhas tracejadas) e o metaestável
diagrama Fe-Fe3C. A condição estável normalmente leva
um tempo muito longo para se desenvolver, especialmente
em baixa temperatura e baixo teor de carbono, sendo
portanto, o diagrama metaestável é de maior interesse. O
diagrama de Fe-C mostra que as fases são esperadas no
equilíbrio (ou de equilíbrio metaestável) para diferentes
combinações de concentração de carbono e da temperatura.
Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
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Princípios de Tratamento Trmico
No aço baixo carbono, a ferrita (α-ferro) pode, no máximo,
dissolver C 0,028%, em 727 ° C (1341 ° F) e a austenita-
ferro, o que pode dissolver 2,11 C% em peso a 1148 ° C
(2098 ° F). No lado do diagrma que é rico em carbono
encontramos cementita (Fe3C). De menor interesse, exceto
para os aços de alta liga, é a existente δ-ferrita em
temperaturas mais elevadas.
Entre os campos monofásicos são encontrados regiões com
misturas de duas fases, tais como ferrita + cementita,
austenita + cementita, e ferrita + austenita. Nas temperaturas
mais elevadas, o campo fase líquida pode ser encontrado e
abaixo deste são os dois domínios de fase líquida +
austenita, líquido + cementita, e líquidos + δ-ferrita.
Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
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Em tratamento térmico de aços, a fase líquida é sempre
evitada por motivos óbvios.
O teor de carbono em que a temperatura mínima de
austenita é atingido é chamado ponto eutetóide (0,77 C%
em peso). A mistura da fase de ferrite-cementita desta
composição formada durante o resfriamento tem uma
aparência característica e é chamado perlita e pode ser
tratada como uma entidade microestrutural ou
microconstituinte. É um agregado de lamelas alternadas
de ferrita e cementita.
Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
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O diagrama de Fe-C na Fig. 1 é de origem experimental. O
conhecimento dos princípios termodinâmicos e dados
termodinâmicos modernos agora permitem que cálculos
muito precisos desse diagrama. Isto é particularmente útil
quando os limites de fase deve ser extrapolados e a baixas
temperaturas, onde o equilíbrio experimental são
extremamente lentos para se desenvolver.
Se os elementos de liga são adicionados à liga de ferro-
carbono (aço), os limites de solubiliade e da composição
eutetóide são alteradas.
Todos os elementos de liga importantes diminuem o ponto
eutetóide.Os elementos de liga adicionados tais como
Manganês promovem uma estabilização da Austenita e de
maneira geral o Níquel, Tungstênio, Molibdênio e o Cromo
aumentam a temperabilidade (a ser detalhado nas curvas
CCT)
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
Diagramas de Transformação
Os aspectos de cinética de transformações de fase são tão
importantes como os diagramas de equilíbrio para o
tratamento térmico dos aços. As fases metaestável
martensita e a bainita são microconstituintes
morfologicamente metaestaestávies que são de extrema
importância para as propriedades dos aços, geralmente
podem se formar com o resfriamento rápido até a
temperatura ambiente.
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
Bainita é uma decomposição eutetóide que é uma mistura de
ferrite e cementita.
Martensita, ocorre com a austenita supersaturada e é mais
frágil e “dura”. Sua dureza aumenta com teor de carbono até
cerca de 0,7% em peso.
O resfriamento rápido onde conseguimos este produto ou
fase é denominado de têmpera e será motivo de discussão
detalhada em nosso curso de processo de fabricação.
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
A transformação de uma estrutura em martensita ou otras
fase, tais como a perlita e ou suas combinações é também de
importância no tratamento térmico de aço.
Pode-se descrever convenientemente o que está
acontecendo durante a transformação com diagramas de
transformação.
Quatro tipos diferentes de tais diagramas podem ser
distinguidas:
• diagramas de transformação isotérmica que descrevem a
formação da austenita (diagramas de ITH);
• contínuos de aquecimento de transformação (CRT);
• tempo-temperatura-transformação (TTT)
• contínuo resfriamento de transformação (CCT)
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
Destacamos inicialmente os TTT e CCT devido à uma questão
prática quando falamos de resfriamento e obtenção de suas
estruturas e/ou fases.
A determinação dos mesmos pode ser feita através de
dilatometria e mais comum (e mais acurado) por análise
microscópica
O desenvolvimento da microestrutura com o tempo pode ser
obtido processando seguidamente, tratanado espécimes
pequenos em um banho de chumbo um de cada vez após
aumentar tempos de retenção e medindo a quantidade de
fases formadas na microestrutura com o auxílio de um
microscópio.
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
Diagramas CCT
É importante para indicar claramente o tipo de curva de
resfriamento (derivado do diagrama de transformação).
A utilização de uma taxa de resfriamento constante é muito
comum na prática experimental.
No entanto, este regime apesar de fácil visualização,
raramente ocorre em uma situação prática.
Para uma aplicação prática, aliam-se estas curvas CCT com
uma análise bem mais próxima à realidade com um ensaio
denominado Jominy. Há neste caso uma simulação do
comportamento no interior de uma peça, tais como a
velocidade de resfriamento a uma certa distância da
extremidade temperada.
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Diagrama Fe-Fe3C / TTT / CCTde Tratamento Trmico
Cada diagrama CCT contém uma família de curvas que
representam as taxas de arrefecimento a diferentes
profundidades de um cilindro com 300 mm (12 polegadas) de
diâmetro. A taxa mais lenta de resfriamento representa o
centro do cilindro. Quanto mais intensa a troca de calor do
meio as curvas em forma de C são deslocados.
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DIAGRAMAS TTT E CCTde Tratamento Trmico
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Princípios de Tratamento Trmico
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BACK UP – TTT/CCT ORIGINAL INGLÊSde Tratamento Trmico
When carbon steel is quenched in the baths at
constant temperatures, the velocity of austenite
transformation is found to depend on temperature.
The time for the beginning and completion of the
transformation of the austenite is plotted against the
temperature to give the Bain "S-curve", shown in
Fig. 1, now called TTT-curve (time-temperature-
transformation).
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Princípios de Tratamento Trmico Abstract:
The structures formed during the continuous cooling of
steel from above Ac3 can be understood best by studying
the constant-temperature (isothermal) transformation of
austenite, thus separating the two variables: time and
temperature.One method consists of heating small
specimens above Ac3 to form austenite, then quenching
into a suitable bath (e.g. liquid tin) at some constant sub-
critical temperature. After holding for selected periods of
time, the specimens are withdrawn from the bath and
rapidly quenched in cold water. This converts any
untransformed austenite into martensite the volume of
which can be estimated microscopically. Another method
consists in measuring length changes caused by the
decomposition of austenite at the constant temperature by
means of a dilatometer.
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Princípios de Tratamento Trmico
The logarithmic scale of time is used to condense
results into a small space. Ae1 and Ae3 lines
represent the equilibrium transformation temperatures.
Austenite is completely stable above Ae3 and partially
unstable between Ae3 and Ae1. Below Ae1 austenite
is completely unstable and transforms in time. Two
regions of rapid transformation occur about 550° and
250°C. The form of each of the curves and their
positions with respect to the time axis depend on the
composition and grain size of the austenite which is
transforming.
Pag. 20 FACENS
Princípios de Tratamento Trmico The TTT-curve is most useful in presenting an overall
picture of the transformation behaviour of austenite.
This enables the metallurgist to interpret the response
of steel to any specified heat-treatment, to plan
practical heat-treatment operations and to control
limited hardening or softening and the time of soaking.
The decomposition of austenite occurs according to three
separate but sometimes overlapping mechanisms and
results in three different reaction products: pearlitic, bainitic,
martensitic.
Pag. 21 FACENS
Princípios de Tratamento Trmico
Pearlitic
The upper dotted curve in Fig. 1 represents the
beginning of the formation of ferrite. The curve just
below it indicates the beginnings of the breakdown of
the austenite remnant into a ferrite-carbide aggregate.
In the high-temperature pearlitic range in Fig. 1 the
process resembles the solidification of crystals from a
liquid by the formation and growth of nuclei of carbide
followed by ferrite by side nucleation with side and edge
growth, Fig. 2a and b.
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Princípios de Tratamento Trmico
At 700°C the formation of nuclei is slow (i.e. incubation
period), then growth proceeds rapidly to form large pearlite
colonies covering several austenite grains in some cases. As
the transformation temperature is lowered to 500°C the
incubation period decreases and the pearlite becomes
increasingly fine.
Large numbers of nuclei form in the austenite boundaries, but
growth is slower and this produces nodular troostite, Fig. 2a. In
the case of medium carbon steels the excess ferrite decreases
in volume and begins to show an acicular or Widmanstätten
type of distribution. The relative amounts of free ferrite to be
expected after a given heat-treatment is indicated by the size of
the "austenite and ferrite" field and by the temperature interval
between Ae1 and Ae3.
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Princípios de Tratamento Trmico Bainitic
Between about 500° and 350°C initial nuclei are
ferrite which is coherent with the austenite matrix.
Cementite then precipitates from the carbon-enriched
layer of austenite, allowing further growth of the ferrite
as shown in Fig. 2c.
The carbides tend to lie parallel to the long axis of the
bainite needle to form the typical open feathery
structure of upper bainite. Below 350°C coherent
ferrite, supersaturated with carbon, forms first and is
then followed by the precipitation of carbide within the
ferrite needle, transversely at an angle of 55°. A
proportion of the carbide is Fe2,4C and the ferrite
contains a little dissolved carbon. This lower bainite
structure is somewhat similar to lightly tempered
martensite (Fig. 2d).
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Princípios de Tratamento Trmico
Martensitic
In quenching down to about 250°C, the temperature
drops rapidly through the interval in which "nucleation"
could take place, to a temperature so low that the
molecular mobility, i.e. diffusion, becomes too small for
the formation of nuclei.
In the third stage, therefore, the austenite changes
incompletely into a distorted body-centred structure,
with little or no diffusion of the carbon into particles of
cementite, to form martensite the plates of which are
formed at a high speed (less than 0,002 sec). This
suggests that the mechanism of formation of this
structure is not nucleation and growth but a shearing
process. This resembles the process of mechanical
twinning and involves very little atomic movement, but
considerable internal stress due to the shear and to
the position of the carbon atoms.
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Princípios de Tratamento Trmico As the temperature decreases the elastic energy increases
and eventually causes a shear in a part of the matrix, which
stabilises the rest. Further shear can only occur when the
temperature is lowered and more energy gained. The
amount of martensite formed, therefore, is practically
independent of time and depends principally on the
temperatures at which the steel is held. Hence a proportion
of austenite is usually retained in quenched steel which can
be reduced in amount by a decrease in temperature. This
fact is used in sub-zero quenching.
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Princípios de Tratamento Trmico The temperature at which martensite begins to form (Ms) is progressively lowered as the carbon content of the steel increases, e.g.
C %
0,02 0,2 0,4 0,8 1,2
Ms °C 520 490 420 250 150
The temperature is also affected by the alloy content, but the following empirical formula (Steven and Haynes) can be used for calculating Ms from the chemical analyses, provided all carbides have been dissolved in the austenite: Ms in °C = 561 - 474 (% C) - 33 (% Mn) - 17 (% Ni) - 17(% Cr) - 21 (% Mo). Mf is about 215°C below the Ms. Plastic and elastic stresses promote the formation of martensite, but it is retarded when cooling is interrupted. When cooling is resumed after such a stabilisation arrest martensite only begins to form again after cooling to a lower temperature. The rate and extent of stabilisation (depression) depend on the temperature and time of holding, amount of prior transformation and alloy content.
Two forms of martensite have been identified depending on carbon content. In low carbon steels laths containing many
dislocations are found, while in high carbon steels the plates are heavily twinned, Fig. 3(a) and (b).