Ciência dos Materiais I Prof. Nilson C. Cruz

Transformações de Fases

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

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.

Nucleação, crescimento e energia livre Energia de livre de superfície GS = 4r2 (necessita de energia para criar a interface, desestabiliza os núcleos) Variação da energia livre, G GT = GS + GV (energia livre total) Energia livre volumétrica GV = 4/3 r3 G (libera energia) Núcleos diminuem Núcleos crescem r* = raio crítico = tensão superficial G = energia livre / unidade de volume

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.

Cinética das Reações no Estado Sólido

Cinética das Reações no Estado Sólido Nucleação Crescimento Logaritmo do tempo de aquecimento Fração de transformação y = 1- e-kt n (Equação de Avrami) y = fração de transformação k, n = constantes t = tempo de aquecimento

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 t0,5

Cinética das Reações no Estado Sólido

Cinética das Reações no Estado Sólido Influência da temperatura sobre a taxa de transformação (Ex. recristalização do cobre) Fração Recristalizado (%) Tempo (min)

Influência da temperatura sobre a taxa de transformação De uma maneira geral, r = Ae -Q/RT Processo termicamente ativado  Temperatura  Taxa 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)

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.

Transformações multifásicas Transformações fora das condições de equilíbrio ocorrem em temperaturas menores. Super-resfriamento

Transformações multifásicas No aquecimento, o deslocamento se dá para temperaturas mais elevadas. Sobreaquecimento

Diagramas de Transformações Isotérmicas   + Fe3C resfriamento aquecimento

Diagramas de Transformações Isotérmicas  perlita resfriamento aquecimento  Temperatura  Taxa de transformação Porcentagem de Perlita Tempo (s)

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) (estável) Menor temperatura  maior taxa r = Ae -Q/RT ?

Diagramas de Transformações Isotérmicas Temperatura de transformação em equilíbrio Taxa de Crescimento (Difusão) (Solidificação) Temperatura Taxa total de Transformação Taxa de Nucleação Taxa 

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

Diagramas de Transformações Isotérmicas “Reais” Austenita Temperatura eutetóide Temperaturas altas  difusão em maiores distâncias  camadas mais espessas (Menor difusão = camadas mais finas) Perlita grosseira Temperatura (°C) Perlita fina Transformação austenitaperlita Indica a ocorrência de uma transformação Tempo (s)

Perlita Grosseira Perlita Fina

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.

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

Diagramas de Transformações Isotérmicas Perlita Taxa máxima A = austenita P = perlita B = bainita Bainita

Transformações perlíticas e bainíticas são concorrentes. A taxa da transformação bainítica aumenta com o aumento da temperatura

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. Partículas esféricas reduzem a área dos contornos entre as fases! Cementita Ferrita

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)

Transformação martensítica

Transformação martensítica Não envolve difusão  transformação instantânea Duas diferentes microestruturas: menos de 0,6%p C  ripas mais de 0,6%p C  lentículas

Transformação martensítica Temperatura eutetóide Temperatura (°C) As linhas horizontais indicam que a transformação não depende do tempo. Ela é apenas uma função da temperatura de resfriamento! (transformação atérmica) M (início) Percentual de transformação de austenita em martensita Tempo (s)

Transformação martensítica A presença de outros elementos além do carbono altera o diagrama de transformação isotérmica. Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C, 1,8% Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn

resfriamento contínuo 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! A maioria dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento contínuo até a temperatura ambiente  diagrama de transformação isotérmica não é mais válido. No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas são deslocadas para tempos maiores e temperaturas menores.

Diagrama de transformação por resfriamento contínuo Temperatura eutetóide Transformação por resfriamento contínuo Temperatura (°C) Tempo (s)

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

resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento. Transformação por resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento. Taxa crítica de resfriamento = taxa mínima para produção de uma estrutura totalmente martensítica Temperatura (°C) M (início) Martensita + Perlita Martensita Perlita Tempo (s)

resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento para ligas. Transformação por resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento para ligas. A presença de outros elementos diminuem a taxa de resfriamento crítica.

A cementita é muito mais dura que a ferrita! Comportamento mecânico das ligas Fe-C %p Fe3C Limite de resistência à tração Dureza Brinell Limite de escoamento A cementita é muito mais dura que a ferrita! Limite de escoamento e resistência à tração (103 psi) Índice de dureza Brinell Composição (%p C)

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. Dureza Brinell P Ex. Esfera de 10 mm HB = 2P d D

A cementita é muito mais frágil que a ferrita! Comportamento mecânico das ligas Fe-C %p Fe3C A cementita é muito mais frágil que a ferrita! Energia de impacto Izod (ft-lbf) Ductibilidade (%) Redução de área Alongamento Composição (%p C)

A perlita fina é mais dura que a perlita grosseira! Comportamento mecânico das ligas Fe-C Perlita fina grosseira A perlita fina é mais dura que a perlita grosseira! Existe forte aderência entre ferrita e cementita através dos contornos entre as fases  e Fe3C. Quanto maior a área superficial, maior a dureza. Índice de Dureza Brinell Os contornos de grão restringem o movimento de discordâncias. Assim, maior área superficial, maior dureza. Composição (%p C)

Cementita globulizada Comportamento mecânico das ligas Fe-C Cementita globulizada Composição (%p C) Índice de Dureza Brinell Perlita fina grosseira Cementita globulizada Menor área de contorno de grãos por unidade de volume = menor dureza e maior ductibilidade

Bainita Comportamento mecânico das ligas Fe-C Partículas mais finas Perlita Partículas mais finas Maior resistência Maior dureza. Índice de dureza Brinell Limite de resistência à tração (MPa) Temperatura de transformaçao (°C)

Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Índice de dureza Brinell Composição (%p C) Martensita Perlita fina A liga de aço mais dura, mais resistente e mais frágil! 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.

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.

Comportamento mecânico das ligas Fe-C O revenido permite, através de processos de difusão, a formação da martensita revenida: Martensita (TCC, monofásica) Martensita revenida ( + Fe3C)  Tratamento térmico

Martensita Lenticular Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Revenida (pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita) Martensita Lenticular Martensita Austenita Ferrita Cementita

Cementita Globulizada (9300X) (1000X) Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Revenida Cementita Globulizada (9300X) (1000X)

Comportamento mecânico das ligas Fe-C Martensita Revenida Martensita A martensita revenida é quase tão dura quanto a martensita! A fase contínua de ferrita confere ductibilidade à martensita revenida Dureza Brinell Martensita revenida a 371°C Composição (%p C)

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 Fe3C e, portanto, do amolecimento da martensita.

Comportamento mecânico das ligas Fe-C Resumo Austenita (ferrita CFC) Resfriamento lento Resfriamento moderado Resfriamento rápido (têmpera) Perlita ( + Fe3C) Bainita ( + partículas Fe3C Martensita (TCC) Reaquecimento Martensita revenida