Transformações de Fases em Metais • Transformação de uma fase em outra requer tempo. Fe g (Austenita) Reação eutetóide C FCC 3 (cementita) a (ferrita) + (BCC) • Como a taxa de transformação se relaciona com o tempo e a temperatura? • Como podemos modificar a taxa de transformação obter estruturas de engenharia fora do equilíbrio? • As propriedades mecânicas das estruturas fora do equilíbrio são melhores?

Fração de Transformação • A fração transformada é dependente do tempo. y log (t) Fixo T 0.5 1 t fração transformada tempo y = 1 - e k t n Eq. de Avrami N = Nucleação C = Crescimento N C • A taxa de transformação depende da temperatura. r = 1 t 0, . 5 Ae - Q / R T Energia de ativação • r para situações de equilíbrio geralmente não é possível!

Nucleação e Crescimento de Cristais • A taxa de reação é resultado da nucleação e crescimento de cristais % Perlita 50 10 Nucleação Crescim. log (tempo) t Taxa de nucleação cresce w / D T Taxa de crescimento cresce w/T Adapted from Fig. 10.1, Callister 6e. • Exemplo: Colônia de perlita g g g T abaixo de T T moderadamente abaixo de T T bem abaixo de T E E E Taxa de nucleação baixa Taxa de nucleação moderada . Taxa de nucleação alta Taxa de crescimento alta Taxa de cresc. moderada Taxa de crescimento baixa

Transformação Eutetóide %p C

Diagramas de Transformações Isotérmicas Sistema Fe-C, Co = 0,77%p C Transformação em T = 675ºC

Diagramas de Transformações Isotérmicas Composição eutetóide, Co = 0,77%p C Início em T > 727ºC Resfriada rapidamente até 625ºC mantida nesta isoterma. Curvas TTT para uma liga eutetóide de Fe-C.

Morfologia da Perlita Dois casos: Baixo - Maiores D T: Ttransf logo abaixo da TE T maiores: difusão é mais rápida Perlita é grosseira. Ttransf bem abaixo da TE T menores: difusão é mais lenta Perlita fina - Maiores D T: Colônias são menores DT: Baixo Colônias são mais largas

Observações experimentais: Morfologia da Perlita Observações experimentais: Microestrutura da perlita em função da isoterma mantida: (a) 655ºC, (b) 600ºC, (c) 534ºC e (d) 487ºC. A morfologia da estrutura de 2 fases é a mesma, mas o espaçamento entre elas diminui com o decréscimo da temperatura da isoterma.

Diagrama de Transformação Isotérmica para Composição Não Eutetóide Em um sistema de Fe-C, para uma liga com 1,13%p C, uma cementita proeutetóide irá se formar primeiro, como mostrado na figura ao lado. Fim da formação da perlita Fim da formação de cementita proeutetóide e início da formação da perlita Formação de cementita proeutetóide

Bainita • Bainita: ripas de fe- (tiras), separadas por partículas de Fe3C; forma-se entre 200 e 540ºC: bainita superior: entre 300 e 540ºC bainita inferior: entre 200 e 300ºC tanto a superior quanto a inferior são formadas por ferrita, cementita e martensita, modificando-se apenas seu arranjo na estrutura.

Bainita

Partícula de cementita Outros Produtos do Sistema Fe-C Cementita Globulizada: Matriz de Fe- com Fe3C em forma esférica; obtida pelo aquecimento da bainita ou perlita até uma temperatura próxima da temperatura eutetóide por longo intervalo de tempo; redução da área interfacial (força motriz). Fe- Partícula de cementita

Outros Produtos do Sistema Fe-C • Martensita: Fe- g (CFC) para Martensita (TCC); Transformação ocorre apenas com o resfriamento rápido do Fe-; % de transformação depente da temperatura apenas. Sítio do átomo de C Esquema da estrutura TCC formada na transformação da martensita.

Martensita A = Austenita P = Perlita M = Martensita B = Bainita Formação da martensita é controlada pela temperatura e independe do tempo

Rota Tempo x Temperatura x Microestrutura A = Austenita P = Perlita M = Martensita B = Bainita A = 100% bainita B = 100% martensita C = 50% P + 50% B

Influência de Outros Elementos de Liga joelho da bainita Tempo mais longo para o cotovelo A-P

Diagramas de Transformação por Resfriamento Contínuo Transf. Resf. Contínuo Transf. isotérmica Taxa de resf. alta Taxa de resf. moderada Taxa de resf. baixa Para o resfriamento contínuo a curva TTT se desloca para baixo (temperaturas menores) e para a direita (tempos maiores) no diagrama.

Taxas de Resfriamento Críticas Curvas de resfriamento para a formação de 100% de martensita ou de perlita. TRC = Taxa de Resfriamento Crítico

Influência de Outros Elementos de Liga Elementos de liga como o Ni, Cr, W e Si deslocam o joelho A-P para tempos mais longos, logo pode-se obter martensita para taxas de resfriamentos mais lentas; A formação de bainita é possível; Para aços com menos de 0,25%p C, a taxa de resfriamento para a obtenção de 100% de martensita é muito alta para ser praticada.

Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C Limite de escoamento e limite de resistência à tração Energia de impacto Izod (ft.lb) A cementita é muito mais duro e, portanto, mais frágil que a ferrita. Então, quando maior o teor de cementita no aço, maior será sua dureza e resistência e menor sua ductilidade e tenacidade (energia de impacto).

Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C %p Fe3C Cementita globulizada Para uma dada composição, as propriedades mecânicas mudam com a microestrutura. A cementita globulizada possui a maior ductilidade e a menor dureza. Ductilidade (%RA) Perlita grossa %p Fe3C Perlita fina Perlita fina %p C Perlita grossa Índice de dureza Brinell Cementita globulizada %p C

Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C A bainita é mais resistente e dura que a perlita Índice de dureza Brinell Limite de resistência à tração (MPa)

Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C A martensita é a mais dura, mais resistente e mais frágil dentre as microestruturas possíveis em uma liga de FeC; Sua alta dureza está relacionado a capacidade dos átomos intersticiais de carbono de restringir o movimento das discordâncias, bem como ao número relativamente pequeno de sistemas de escorregamento para a estrutura TCC. Índice de dureza Brinell Dureza Rockwell C

Mart. (TCC) -> Mart. rev. (Fe+Fe3C) Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C A martensita é muito dura para determinadas aplicações; A ductilidade e a tenacidade da martensita podem melhorar com a apliação de um tratamento térmico de alívio de tensões (revenimento); Revenimento: aquecimento de um aço temperado até 250-650ºC para deixar a difusão ocorrer e formar a martensita revenida conforme a equação: Mart. (TCC) -> Mart. rev. (Fe+Fe3C) A microestrutura da martensita revenida é similar a da cementita globulizada, mas possui partículas de Fe3C menores, o que acarreta em dureza e resistência maiores.

Resumo Temperatura eutetóide Austenita Cementita globulizada Perlita Martensita Revenida Bainita Aquecimento Martensita Temperatura ambiente Têmpera Austenita, perlita, bainita e martensita podem co-existir