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-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.

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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.

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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).