transformacao de fases nos metais

Universidade Federal do Paran

Setor de Tecnologia

Departamento de Engenharia Mecnica

Prof. Rodrigo Perito Cardoso

TM343 Materiais de Engenharia

Captulo 10 Transformao de fases nos metais: Desenvolvimento da

microestrutura e alterao de propriedades


Onde estamos?

Introduo Reviso dos conceitos de mecanismos de endurecimento e

diagramas de fase Alumnio e suas ligas

Classificao das ligas de Al Tratamentos trmicos das ligas de Alumnio Metalurgia das ligas de Alumnio

Ligas ferrosas Aos e ferros fundidos Diagramas TTT e TRC Tratamentos trmicos dos metais ferrosos Metalurgia dos metais ferrosos Tratamentos termoqumicos

Noes de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)


Roteiro da aula

Intruduo

Cintica de transformao de fase

Nucleao e crescimento (liquido e slido)

Estados Metaestveis X Estados de equilbrio

Transformaes e Microestrutura (Fe-C)

Diagramas de transformaes Isotrmicas

Diagramas de Transformao por resfriamento contnuo

Comportamento mecnico de ligas Fe-C


Introduo

Qual esta microestrutura?

Qual a composio provvel?

O que esperamos das propriedades

desta liga?


Introduo

Porque estudar transformaes de fases?

Propriedade

Estrutura Processamento

Macroscpica (1X)

Microscpica (1.000X)

Atmica (1.000.000X)

Para um material ser til

necessrio fabricar

algo com ele

Imposto pelo projeto

?


Introduo

Porque estudar transformaes de fases?

Diagrama de fase no considera o tempo

Entretanto os diagramas so importantes para projetar tratamentos trmicos

Obter as propriedades desejadas

Alterar propriedades de uma liga

Ex: Fe+0,76% C eutetide

Limite de resistncia pode varias de 700 a 2000 Mpa

COMO?


Exemplo de variao de propiedades

Diferente tratamento

trmico (recozido

pleno x normalizado)


Introduo

Versatilidade dos materiais metlicos

Mecanismos de endurecimento (TG, SS, Enc.)

Transformao de fase -> altera microestrutura

Transformao de fase -> no ocorre instantneamente


Conceitos bsicos

Tipos de transformao:

Dependente da difuso

Simples (transf. alotrpica)

Outro tipo (ex: eutetide alterao do nmero de fases)

Independente da difuso

Produz fases metaestveis (ex: transf. Martenstica - Tmpera)


Cintica de transformao de fases

Leva tempo(no instantnea) -> cintica (velocidade)

Estgios da transformao de fases:

Nucleao -> surgimento da nova fase

Crescimento -> Leva ao desparecimento da fase original


Nucleao (vdeo 1 vdeo 2 vdeo 3)

Energia livre de Gibbs (G)

Transformao espontnea se DG for negativo (reduo da energia livre do sistema)

Iniciaremos pela transformao lquido-Slido (solidificao) considerando ncleos esfricos, conforme o esquema:

Do not boil water into microwave oven!.flvSupercooled Water 2.flvSuperheating of water (Mythbusters).mp4


Nucleao

Contribuies para variao da energia livre:

Diferena de energia das fase, energia de volume, DGv (negativa se T inferior temp. de transf.)

Energia de superfcie, formao de interface, g (positiva)

Variao total:


Nucleao Raio crtico

Partcula menor dissolve (r embrio

Partcula maior cresce (r>r*) -> ncleo

DG* -> energia livre de ativao para formao do ncleo


Nucleao Como DG* e r* so ponto de mximo, derivando

e igualando a zero obtemos substituindo r* obtemos

A transformao s ocorre a baixo de Tf (Tm), pois

logo:

DG* e r* diminuem se T diminui


Nucleao

Super-resfriamento (Superaquecimento Tf-T)

T2


Nucleao

Nmero de ncleos estveis

Fortemente dependente de T, pois


Nucleao

Aglomerao de tomos (difuso) Forma parecida com o coeficiente de

difuso D


Nucleao

Taxa de nucleao proporcional a n* e nd


Ex. de super-resfriamento para nucleao homognea

Ex: Nucleao Homo. Au

r*=1,32 nm (548 tomos)

importante ressaltar que

os princpios apresentado

se aplicam para qualquer

transformao de fase.

Nos interessaremos

particularmente s

transformaes de fase

slido-slido


Nucleao Heterognea

Na prtica o super-resfriamento bem menor que o observado para nucleao homognea

Nucleao heterognea -> menor energia de superfcie

Pode-se mostrar que:


Nucleao Heterognea

Mesmo raio crtico

Menor energia de ativao

Menor super-resfriamento

Em geral maior taxa de nucleao


Crescimento

Crescimento -> aps o raio crtico

Crescimento e Nucleao ocorrem simultaneamente

Crescimento envolve:

Difuso at a fronteira (logo alcance)

Difuso para o ncleo

Taxa de crescimento tem cara de difuso:

Eq. de Arrhenius

Vlido para qualquer transformao de fase


Crescimento

Taxa de transformao -> quanto da fase foi transformada

Conseqncia na micro estrutura e

conseqentemente nas propriedades

Estrutura grosseira (baixa taxa de nucleao e

elevada taxa de crescimento)

Tendncia formao de estruturas metaestveis

(ex: martensita e vidros metlicos)

Estrutura refinada (elevada taxa de nucleao e

baixa taxa de crescimento)


Crescimento

Taxa de transformao o inverso do tempo de transformao -> tempo para que a transformao evolua at certo ponto (ex: 50%)

Taxa de transformao Tempo de transformao


Consideraes cintica em relao s transformaes no estado slido Curava da cintica de transformao (Curvas em S)

-> evoluo temporal da transformao a T=cte

Relembrando: taxa de

transformao o inverso de do

tempo de transformao (por

conveno 50% de transformao)


Consideraes cintica em relao s transformaes no estado slido Influencia de T na cintica (ex: recristalizao

do Cu)


Estados Metaestveis X Estados de Equilbrio

Tratamento trmico -> usado para induzir transformao de fase (aquecimento ou resfriamento)

Transformao ocorre no sentido do previsto pelo diagrama de fases (fases e quantidades relativas) -> leva tempo

Diagrama de fase incapaz de indicar o tempo para que o equilbrio seja atingido

A taxa de transformao para o equilbrio muito lenta -> raramente as transformaes ocorrem em verdadeiro equilbrio

Em tratamento trmico -> Equilbrio= taxa muito lenta de aquecimento e/ou resfriamento -> invivel na prtica industrial


Estados Metaestveis X Estados de Equilbrio

Para transformaes fora do equilbrio: No resfriamento, as temperaturas de transformao so deslocadas

para T inferior (super-resfriamento)

No aquecimento, as temperaturas de transformao so deslocadas para T superior (superaquecimento)

Quanto maior a taxa de aquecimento/resfriamento maior ser o superaquecimento/super-resfriamento (para ao eutetide, em resfriamento, normalmente temos super-resfriamento entre 10 e 20C)

Para muitas aplicaes a microestrutura preferida metaestvel (intermedirio entre o estado inicial e o equilbrio), o controle e obteno de fases metaestveis depende da cintica de transformao.


Alteraes microestruturais e das propriedades em ligas Fe-C

Diagrama de Transformao Isotrmica (aplicado ao sistema Fe-C)

Formao da Perlita:

Reao eutetide Fe-C



Formao da Perlita (influencia da temperatura na taxa de transformao)

Ex de um ao eutetide:



Maneira mais conveniente de apresentar a transformao isoterma

Curvas de incio e fim de

transformao (slidas)

Curva 50% de transformao

(tracejada)

Digrama de transformao

isotrmica (Diagrama TTT

transformao-tempo-temperatura):

Gerado a partir de uma srie de

curavas em forma de S



Austenita para qualquer tempo

Temperatura do eutetide

Transformao s ocorre

com super-resfriamento

Au

ste

nita

In

st

ve

l

perlita

Austenita Instvel + Perlia 10 s para transformao

100.000 s

para transformao (27h)


Exemplo de um tratamento trmico isotrmico

Resfriamento

rpido da

austenita

(3s) Inicio da

transformao (15s) Final da

transformao

Evoluo da

microestrutura

Elevado tempo de

transformao ->

perlita grosseira

baixo tempo de

transformao ->

perlita fina

E a relao das

espessuras,

muda? Porque?

Difuso explica


Resultado de tratamento

Perlita grosseira Perlita fina


Vimos o ao eutetide, e para um ao Hiper ou Hipoeutetide?

Linhas de transformaes das fases proeutetide, ex (Fe-1,13% C - Hiper):


Bainita Alm de perlita outros microconstinuintes podem

existir (lembrar que no so fases)

Falaremos agora da bainita: forma-se como agulhas ou placas (temperatura) e extremamente refinada (vista com microscpio eletrnico)


Bainita Se forma temperaturas a baixo da

temperatura de formao de perlita fina

Curvas em forma de C

Maior taxa de

transformao


Cementita Globulizada (esferoidita)

Obtida de Perlita ou Bainita aquecida e mantida abaixo da temperatura do eutetide (reduo de energia de contorno de fase) ex: 700C 18 a 24h

Qual a microestrutura mais estvel, a

perltica ou a da cementita globulizada? Por

qu?


Martensita Obtida da tmpera -> resfriamento rpido at temperatura

prxima da ambiente

Transformao no difusional da austenita-> fora do equilbrio (no representada no diagrama de equilbrio), fase metaestvel (movimento cooperativo de tomos)

Estrutura tetragonal de corpo centrado

Soluo slida supersaturada de Fe-C

Se transforma se a temperatura for elevada

(difuso), estvel a temperatura ambiente


Martensita

Transformao quase instantnea (sem difuso), com elevada taxa de transformao (velocidade do som) -> para fins prticos independente do tempo

Assume forma de agulhas ou placas

Fundo branco -> austenita retida


Martensita Matensita aparece no diagrama TTT (completando o

diagrama)

Linhas de transformao

horizontais (independentes do

tempo) -> posio depende da

composio da liga, mas

sempre a temperaturas onde a

difuso virtualmente

inexistente.


TTT elementos de liga

Alteram a posio e forma das linhas de transformao:

Deslocamento da inflexo para tempos mais longos

Formao de uma inflexo para a bainita

Ao carbono x ao liga

4340:

(0,40C-1,8Ni-0,8Cr-0,25Mo-0,7 Mn)


Cr + Mo


46

A + B

A + P

A + a A

B P

A 50%

0

200

400

600

800

0.1 10 103 105 time (s)

M (start)

M (50%)

M (90%)

Problema exemplo Co = 0.45 wt% a) 42% ferrita proeutetide e 58% perlita grossa

Adapted from

Fig. 10.29,

Callister 5e.

T (C)


47

b) 50% pearlita fina e 50% bainita

T (C)

A + B

A + P

A + a A

B P

A 50%

0

200

400

600

800

0.1 10 103 105 time (s)

M (start)

M (50%)

M (90%)

Adapted from

Fig. 10.29,

Callister 5e.

Problema exemplo Co = 0.45 wt%


48

A + B

A + P

A + a A

B P

A 50%

0

200

400

600

800

0.1 10 103 105 time (s)

M (start)

M (50%)

M (90%)

c) 100 % martensita quench = rapid cool

d) 50 % martensita

e 50 % austenita

d)

c) Adapted from Fig. 10.29,

Callister 5e.

T (C)

Problema exemplo Co = 0.45 wt%


Problema exemplo Determinao de microestrutura para tratamentos isotrmicos:

Descreva o tratamento e a

microestrutura obtida dos tratamentos

(a), (b) e (c)

Propor um tratamento que produza:

1) 100% perlita grosseira

2) 100% perlita fina

3) 50% perlita fina + 50% Bainita

4) 50% perlita fina + 50% martensita

5) 50% bainita + 50% martensita


Diagramas de transformao por resfriamento contnuo

Os tratamento isotrmicos no so fceis de serem realizados (resfriamento rpido para temperatura elevada)

Na pratica a maioria dos tratamento trmicos realizado em resfriamento contnuo at a temperatura ambiente.

Assim rigorosamente no podemos aplicar os diagramas TTT para tratamentos trmicos

Em resfriamento contnuo as curvas de transformao so deslocadas para maiores tempos e menores temperaturas. (as curvas modificadas so chamadas curvas de transformao por resfriamento contnuo TRC -> Encontrados por exemplo no ASM Hand Book



Curvas de resfriamento contnuo (ex: eutetide)

Linhas de

transformao

martenstica no

mudam



Controle da taxa de resfriamento - > meio (ar, leo, gua salmoura)

Incio de transformao

Fim de transformao

Microestrutura resultante:

Perlita grossa

Perlita fina

Em ao-carbono -> impossvel

formar estrutura baintica em

resfriamento contnuo



Existe uma taxa mnima de tempera para obteno de uma estrutura 100% martenstica

100% perlita

Perlita + Martensita

100% Martensita



Elementos de liga, incluindo o carbono, deslocas as curvas reduzindo a taxa crtica de resfriamento (elementos comuns: Cr, Ni, Mn, Si, W -> desde que em sol. solida na austenita)

Ligas com menos de

0,25% C normalmente

no so temperadas

(taxas muito elevadas)

Adicionar elemento de

liga permite obter 100%

martensita em peas de

grande seo

Possibilidade de

formao de bainita em

resfriamento contnuo

Exemplos de de

taxa de

resfriamento


Exerccio Descreva o tratamento trmico por resfriamento contnuo

que poderia ser utilizado para converter um ao 4340 de (martensita+perlita) para (ferrita + perlita)



Conhecendo as microestruturas

Perlita fina

Perlita grosseira

Cementita globulizada

Bainita

Martensita

-> vamos discutir as propriedades mecnicas

Com exceo da martensita todas as outras microestrutras so formadas pelas fase: ferrita e cementita



Perlita: A cementita muito dura e frgil se compara ferrita, Mantendo os

demais parmetros-> + cementita + duro + resistente

Para perlita fina:



Influncia da forma em que se encontra a cementita

Perlita fina (mais

contorno)

Perlita grossa

(intermedirio)

Cementita

globulizada (menos

contorno) -> fase

dctil + contnua



Cementita globulizada (esferoidita):

Forma e distribuio bem diferente

Esfera tem a menor relao rea/volume

Tenaz -> trinca encontra pouca cementita



Bainita: Estrutura mais fina que a perlita -> +dura e + resistente (ex: eutetide)



Matensita: a mais dura, mais resistente e mais frgil das estruturas (ductilidade desprezvel)

Dureza depende do

% C at ~0.6%

Dureza relacionada: Sol. Solida

N. de Sist de Esc.

Pouco dependente da

microestrutura

Austenita + densa que a martensita ->

transformao com aumento de volume ->

pode trincar (tenses internas) especialmente

se a pea for grande com elevada taxa de

resfriamento e teor de carbono maior que 0,5


Exerccio

Classifique as seguintes ligas ferro-carbono e as microestruturas a elas associadas em ordem decrescente do limite de resistncia trao:

0,25% C com cementita globulizasa

0,25% C com perlita grosseira

0,6% C com perlita fina

0,6% C com perlita grosseira

Justifique sua resposta


Exerccio

Para um ao eutetide, descreva o tratamento trmico para obter uma dureza de 93 HRB


Martensita Revenida

No estado temperado a martensita muito dura e frgil e no pode ser empregada na maioria dos casos

Ductilidade, tenacidade e reduo das tenses internas so obtidas pelo revenido -> aquecimento da pea a temperatura abaixo do eutetide (normalmente entre 250 e 650C)

Para alivio de tenses 200C suficiente


Martensita Revenida

No revenimento, por difuso:

Microestrutura da martensita revenida:

cementita finamente e homogeneamente dispersa + uma matriz contnua de ferrita

semelhante cementita globulizada, entretanto muito mais fina


Martensita Revenida

Microestrutura da martensita revenida:


Martensita Revenida Martensita revenita pode ser quase to dura quanto

a martensita, entretanto com certa ductilidade


Martensita Revenida O tamanho das partculas de cementita na

martensita revida influencia suas propriedades

Maior partcula menor

rea de contorno

Tamanho de partcula

determinado pela

temperatura e tempo de

revenimento

Informao normalmente

fornecida pelo fabricante

do ao


Martensita Revenida

Influncia do tempo do revenido para um ao eutetide

t em escala logartmica


Fragilizao por revenido

Alguns aos aps revenido podem apresentar reduo de tencidade -> Fragilizao por revenido

Revenido acima de 575C seguido de resfriamento lento

Revenido entre 375 e 575C

Motivo elemento de liga (Cr, Ni, Mn) + Impureza (antimnio, estanho, arsnio, fsforo) -> desloca a temperatura de transio dctil frgil + segregao em contorno de gro

Como prevenir: Controle de pureza

Revenido abaixo de 375C

Revenido acima de 575C seguido de tempera


Transformaes possveis


Ligas com memria de forma


Deformao por maclagem

Aplicaes variadas:

Luvas para tubulao sem solda

Armao de culos

Aparelhos dentrios

Dispositivos para abrir janelas de

estufas

Vlvulas de incndio, etc


importante lembrar

Conceitos bsicos de transformao de fase

Nucleao x Crescimento

Super-resfriamento (Superaquecimento)

Microestruturas no sistema Fe-C

Perlita

Bainita

Cementita globulizada (esferoidita)

Martensita

Martensita revenida


importante lembrar Diagramas TTT

Origem

Como aplicar

Diagramas TRC

Diferena com relao ao TTT

Como aplicar

Como propor um tratamento trmico para obter uma da microestrutura (propriedade)

Relao microestrutura propriedade

saber qualitativamente quem mais resistente , mais dctil, mais tenaz, etc.

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rodrigo perito cardoso

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