Transformação de Fases

Transformação de fase é a alteração no números de fases e/ou na natureza da fase que envolve alguma alteração na microestrutura

Tipos de transformações de fases Aquelas que dependem de difusão, onde não há alteração no número nem na composição das fases presentes. (Solidificação, transformações alotrópicas, recristalização e crescimento de grão) Aquelas que dependem de difusão, envolvendo, entretanto, alguma alteração na composição das fases e, freqüentemente, no número de fases também. (Reações eutetóide, eutética e peritética) Aquelas que não dependem da ocorrência de difusão, resultando numa fase metaestável. (Transformação martensítica)

Do ponto de vista microestrutural, o primeiro processo a acompanhar uma transformação de fases é a nucleação, que consiste na formação de embriões, seguidos de núcleos da nova fase, que podem agregar mais volume e área superficial (crescimento)

Para transformações em estado sólido que exibem o comportamento cinético, a fração da transformação é uma função do tempo: Equação de Avrami Onde: k e n são constantes independentes do tempo.

Por convenção, a taxa de deformação, r, é tomada como sendo o inverso do tempo necessário para que a transformação prossiga até a metade da sua conclusão (t0,5)

A temperatura é uma das variáveis que está sujeita a controle e ela pode ter uma influência profunda sobre a cinética e, portanto, sobre a taxa de transformação Cobre puro Onde: R= a constante dos gases; T= temperatura absoluta; A= constante independente da temperatura; Q= energia de ativação específica para a reação em questão.

Transformações Multifásicas As transformações de fases podem ser forjadas em sistemas de ligas metálicas pela variação da temperatura, da composição e da pressão externa; entretanto, as alterações de temperatura através de tratamentos térmicos são mais convenientemente utilizadas para induzir as transformações de fases.

Uma limitação dos diagramas de fase consiste na sua incapacidade de indicar o tempo que é necessário para que o equilíbrio seja atingido. Nenhuma informação sobre as taxas de transformação de fases é dada no diagrama de fases. A taxa de aproximação do equilíbrio para sistemas sólidos é tão lenta, que ele quase nunca é atingido.

Para mudanças de fases que ocorrem durante o resfriamento em condições de equilíbrio, as transformações são deslocadas para temperaturas mais baixas do que aquelas indicadas pelo diagrama de fases. Para mudanças de fases que ocorrem durante o aquecimento, as transformações são deslocadas para temperaturas mais elevadas. Esses fenômenos são chamados de super-resfriamento e sobreaquecimento, respectivamente.

Transformações isotérmicas Transformação de austenita em perlita de uma liga ferro-carbono de composição eutetóide. Os dados da curva foram coletados para uma amostra composta inicialmente de 100% de austenita e resfriada até a temperatura indicada no gráfico, na qual se processou a transformação. Na Temperatura Eutetóide: γ(0,76%p C) → α(0,022%p C) + Fe3C (6,70%p C)

Diagrama de Transformação Isotérmica Essa é a maneira mais conveniente de representar transformações de fases difusionais, i.e, dependentes do tempo e da temperatura.

Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide, mostrando a superposição da curva para um tratamento térmico isotérmico (ABCD) A transformação da austenita em perlita começa no ponto C e termina no ponto D.

A perlita grosseira é formada por lamelas espessas de ferrita e cementita. A perlita fina é formada por lamelas finas, que nucleiam-se progressivamente com a diminuição da temperatura e como conseqüência da diminuição na taxa de difusão.

Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com 1 Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com 1.13%p C. Onde: A= austenita; C= cementita; P= perlita.

Bainita A bainita é o produto de uma transformação autenítica em alguns aços e ferros fundidos . Ela se forma em temperaturas entre aquelas nas quais ocorrem as transformações perlíticas (mais elevadas) e martensíticas (mais baixas). A microestrutura consiste em uma fina dispersão de cementita na ferrita-α.

Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide, incluindo as transformações da austenita em perlita e da austenita em bainita.

Cementita globulizada A cementita globulizada é uma microestrutura que se forma a partir de uma liga de aço que possui microestrutura perlítica ou bainítica e que tenha sido aquecida a uma temperatura abaixo da eutetóide durante um período suficientemente longo.

Fotomicrografia de um aço que possui uma microestrutura de cementita globulizada. As partículas pequenas são de cementita e a fase contínua consiste em ferrita α. 1000x

Martensita A martensita pode estar presente em ligas ferrosas ou não, induzida por resfriamento rápido e/ou por deformação através do cisalhamento da rede cristalina ao longo de planos e direções cristalográficas específicas. Em aços austenitizados, a martensita é formada através de resfriamento rápido (têmpera) até uma temperatura inferior à Mi (temperatura de início de transformação martensítica) ou por deformação abaixo da temperatura Md (temperatura de início de transformação martensítica por deformação). A martensita, que é resultante de uma transformação adifusional da austenita, não é uma fase de equilíbrio. Qualquer difusão que venha porventura ocorrer em tratamentos posteriores à transformação martensítica, resultará na formação das fases ferrita e cementita.

Na transformação martensítica existe apenas um pequeno deslocamento de cada átomo em relação ao seu vizinho. A austenita do aço comum ao carbono e alguns outros, CFC, quando temperada, sofre uma transformação polimórfica em martensita tetragonal de corpo centrado (TCC)

Para ligas que contêm menos do que cerca de 0,6%p C A transformação martensítica também é conhecida como transformação atérmica

Para aços comuns ao carbono que contêm concentrações de carbono superiores a aproximadamente 0,6%p C Para todos os fins práticos a transformação martensítica é independente do tempo.

Diagrama de transformação isotérmica completo para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide, onde: A= austenita; B= bainita; M= martensita; P= perlita.

Diagrama de transformação isotérmica para um aço-liga, onde: A= austenita; B=bainita; M=martensita; F= ferrita proeutetóide.

Diagrama de transformação por resfriamento contínuo

Curvas de resfriamento moderadamente rápido e de resfriamento lento sobrepostas a um diagrama de transformação por resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide.

Diagrama de transformação por resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide e a superposição das curvas de resfriamento, demonstrando a dependência da microestrutura final em relação às transformações que ocorrem durante o resfriamento.

Diagrama de transformação por resfriamento contínuo para um aço-liga (AISI 4340) e a superposição de várias curvas de resfriamento, demonstrando a dependência da microestrutura final dessa liga em relação às transformações que ocorrem durante o resfriamento. Austenita → Maretensita

Comportamento Mecânico de Ligas Ferro-Carbono

Perlita

Cementita globulizada

Bainita

Martensita

Martensita revenida A martensita temperada é muito dura e muito frágil. Assim, para aumentar a ductilidade e a tenacidade da martensita e aliviar as tensões é utilizado o tratamento térmico de revenimento, que dá nome à nova martensita formada: martensita revenida.

Martensita → Martensita revenida (TCC, monofásica) (fases α + Fe3C) A martensita revenida pode guardar porcentagem importante da dureza da martensita como temperada, porém, tem ductilidade e tenacidade substancialmente aprimoradas Fe3C Ferrita α

Os limites de resistência à tração e de escoamento e a ductilidade (%RA) em função da temperatura de revenimento para um aço-liga (AISI 4340) temperado em óleo.

A dureza em função do tempo de revenimento para um aço comum ao carbono (AISI 1080) com composição eutetóide, que foi temperado em água.

Fragilização por revenimento A fragilização de algumas ligas de aço ocorre quando elementos específicos de liga (Mn,Ni,Cr) e impurezas (Sb, P, As e Sn) estão presentes e mediante o revenido dentro de uma faixa de temperatura definida (375-575°C), ou acima de 575°C, seguido de resfriamento lento.

Resfriamento rápido (têmpera) Resfriamento moderado Austenita Resfriamento rápido (têmpera) Martensita (fase tetragonal) Resfriamento moderado Resfriamento lento Bainita ( + Fe3C) Perlita ( + Fe3C) + fase próeutetóide Reaquecimento Martensita Revenida ( + Fe3C) Ferrita ou cementita