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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 www.sorocaba.unesp.br/gpm Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz.

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1 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

2 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformações de Fases

3 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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

4 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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.

5 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Núcleos diminuem Núcleos crescem Variação da energia livre, G Energia de livre de superfície G S = 4 r 2 (necessita de energia para criar a interface, desestabiliza os núcleos) Energia livre volumétrica G V = 4/3 r 3 G (libera energia) G T = G S + G V (energia livre total) r* = raio crítico = tensão superficial G = energia livre / unidade de volume Nucleação, crescimento e energia livre

6 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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.

7 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Cinética das Reações no Estado Sólido

8 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Cinética das Reações no Estado Sólido Nucleação Crescimento Logaritmo do tempo de aquecimento Fração de transformação y = fração de transformação k, n = constantes t = tempo de aquecimento y = 1 - e - kt n (Equação de Avrami)

9 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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 Fração de transformação r = 1 t 0,5

10 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Cinética das Reações no Estado Sólido

11 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Cinética das Reações no Estado Sólido Influência da temperatura sobre a taxa de transformação (Ex. recristalização do cobre) Fração Recristalizado (%) Tempo (min)

12 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Influência da temperatura sobre a taxa de transformação De uma maneira geral, r = Ae -Q/RT A = constante independente de T Q = energia de ativação da reação R = constante universal dos gases = 8,31 J/mol-K T = temperatura absoluta (K) Processo termicamente ativado Temperatura Taxa

13 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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.

14 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformações multifásicas Transformações fora das condições de equilíbrio ocorrem em temperaturas menores. Super-resfriamento

15 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformações multifásicas No aquecimento, o deslocamento se dá para temperaturas mais elevadas. Sobreaquecimento

16 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Diagramas de Transformações Isotérmicas + Fe 3 C resfriamento aquecimento

17 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 perlita resfriamento aquecimento Diagramas de Transformações Isotérmicas Porcentagem de Perlita Tempo (s) Temperatura Taxa de transformação

18 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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: Temperatura (°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 ?

19 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Diagramas de Transformações Isotérmicas Taxa de Nucleação Taxa de Crescimento Temperatura de transformação em equilíbrio Taxa total de Transformação Temperatura Taxa (Difusão) (Solidificação)

20 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Diagramas de Transformações Isotérmicas Temperatura constante ao longo de toda a transformação Porcentagem de austenita transformada em perlita Tempo (s) Início da transformação Final da transformação Temperatura da transformação 675 °C

21 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Diagramas de Transformações Isotérmicas Reais Indica a ocorrência de uma transformação Transformação austenita perlita Perlita grosseira Temperatura eutetóide Austenita Temperatura (°C) Tempo (s) Perlita fina Temperaturas altas difusão em maiores distâncias camadas mais espessas (Menor difusão = camadas mais finas)

22 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Perlita Grosseira Perlita Fina

23 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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.

24 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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 lamelar Bainita = agulhas ou placas

25 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 A = austenita P = perlita B = bainita Diagramas de Transformações Isotérmicas Perlita Bainita Taxa máxima

26 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformações perlíticas e bainíticas são concorrentes. A taxa da transformação bainítica aumenta com o aumento da temperatura

27 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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. Cementita Ferrita Partículas esféricas reduzem a área dos contornos entre as fases!

28 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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)

29 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformação martensítica

30 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformação martensítica Não envolve difusão transformação instantânea menos de 0,6%p C ripasmais de 0,6%p C lentículas Duas diferentes microestruturas:

31 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformação martensítica As linhas horizontais indicam que a transformação não depende do tempo. Ela é apenas uma função da temperatura de resfriamento! (transformação atérmica) Temperatura (°C) Tempo (s) Temperatura eutetóide M (início) Percentual de transformação de austenita em martensita

32 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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.

33 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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.

34 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Diagrama de transformação por resfriamento contínuo Transformação por resfriamento contínuo Temperatura (°C) Tempo (s) Temperatura eutetóide

35 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Diagrama de transformação por resfriamento contínuo Resfriamento moderadamente rápido e resfriamento lento Resfriamento moderadamente rápido (normalização) Resfriamento lento (recozimento total) Temperatura (°C) Tempo (s) transformação durante o resfriamento Indica uma Início da transformação Perlita fina Perlita grosseira Microestrutura Com a continuidade do resfriamento a austenita não convertida em perlita se transforma em martensita ao cruzar a linha M (início) M (início)

36 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformação por resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento. Martensita + Perlita M (início) Taxa crítica de resfriamento = taxa mínima para produção de uma estrutura totalmente martensítica Temperatura (°C) Tempo (s)

37 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Transformação por resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento para ligas. A presença de outros elementos diminuem a taxa de resfriamento crítica.

38 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C A cementita é muito mais dura que a ferrita! %p Fe 3 C Limite de resistência à tração Dureza Brinell Limite de escoamento Índice de dureza Brinell Composição (%p C) Limite de escoamento e resistência à tração (10 3 psi)

39 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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 = 2P

40 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C A cementita é muito mais frágil que a ferrita! Alongamento Redução de área Energia de impacto Izod (ft-lb f ) Composição (%p C) Ductibilidade (%) %p Fe 3 C

41 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C Perlita fina Perlita grosseira Composição (%p C) Índice de Dureza Brinell A perlita fina é mais dura que a perlita grosseira! Existe forte aderência entre ferrita e cementita através dos contornos entre as fases e Fe 3 C. Quanto maior a área superficial, maior a dureza. Os contornos de grão restringem o movimento de discordâncias. Assim, maior área superficial, maior dureza.

42 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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) Índice de Dureza Brinell Perlita fina Perlita grosseira Cementita globulizada

43 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C Bainita Temperatura de transformaçao (°C) Índice de dureza Brinell Limite de resistência à tração (MPa) Bainita Perlita Partículas mais finas Maior resistência Maior dureza.

44 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita A liga de aço mais dura, mais resistente e mais frágil! Índice de dureza Brinell 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.

45 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 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.

46 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C O revenido permite, através de processos de difusão, a formação da martensita revenida: Martensita (TCC, monofásica) Martensita revenida ( + Fe 3 C) Tratamento térmico

47 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Revenida (pequenas partículas de Fe 3 C em uma matriz de ferrita) Cementita Ferrita Martensita Lenticular Martensita Austenita

48 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Revenida Cementita Globulizada (9300X)(1000X)

49 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Revenida Martensita Martensita revenida a 371°C Dureza Brinell Composição (%p C) A martensita revenida é quase tão dura quanto a martensita! A fase contínua de ferrita confere ductibilidade à martensita revenida

50 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Revenida Dureza Rockwell C Dureza Brinell 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 Fe 3 C e, portanto, do amolecimento da martensita.

51 Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7 Austenita (ferrita CFC) Comportamento mecânico das ligas Fe-C Resumo Perlita ( + Fe 3 C) Bainita ( + partículas Fe 3 C Martensita (TCC) Resfriamento lento Resfriamento moderado Resfriamento rápido (têmpera) Martensita revenida Reaquecimento


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