MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA MINAS GERAIS IFMG – CAMPUS OURO BRANCO Engenharia Metalúrgica Aula 1: Metalurgia.

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA MINAS GERAIS IFMG – CAMPUS OURO BRANCO Engenharia Metalúrgica Aula 1: Metalurgia Física e Tratamentos Térmicos Eric Bartulici Mestre em Engenharia de Materiais (UFMG) Engenheiro Metalúrgico (EM-UFOP)

2 Ementa Diagrama Fe-C; classificação do aço e ferro fundido; Metalurgia Física e TT. Recristalização. Difusão em sólidos. Efeito dos elementos de liga no sistema Fe-C(transformações invariantes: eutética, eutetóide e peritética); Curvas de resfriamento e estruturas; diagrama tempo, temperatura e transformação (TTT), diagrama transformação em resfriamento contínuo (TRC); Tratamentos termofísicos: recozimento, normalização, austêmpera, martêmpera, têmpera e revenido; Tratamentos termoquímicos: cementação, nitretação, carbonitretação. Tratamentos termomecânicos. Laminação controlada. Laboratório. Ataques (reagentes). Microestrutura; microscopia óptica, micrografia, macrografia, microscopia eletrônica (varredura e transmissão); 08/10/2015IFMG Ouro Branco2

3 Bibliografia Bibliografia Básica 1)ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P., Ciência e engenharia dos materiais, São Paulo: Cengage Learning, 2008. 2)COLPAERT, H., Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns, 4ª edição revista e atualizada, São Paulo: Edgard Blücher, 2008. 3)CALLISTER Jr, W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, 7ª edição. Tradução Sérgio Murilo Stamile Soares, Rio de Janeiro: LTC, 2008. Bibliografia Complementar 1)SILVA, André L. C. Aços e ligas especiais, 3ª edição rev. e ampl., São Paulo: Edgard Blücher, 2010. 2)SOUZA, S. A., Composição química dos aços, São Paulo: Edgard Blücher, 1989. 3)PADILHA, F. A., FILHO, F. A., Técnicas de análise microestrutural, São Paulo: Hemus, 2004. 4)AZEVEDO, C. R. F., CESCON, T., Metalografia e análise de falhas: casos selecionados (1933 – 2003), São Paulo: IPT, 2004. 5)CHIAVERINI, V., Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. São Paulo: ABM, 1996. 08/10/2015IFMG Ouro Branco3

4 Recursos didáticos e fontes Slides em PPT Anotações em aula Textos fornecidos Internet (vídeos, publicações, arquivos) Serão disponibilizados no blog: profebart.wordpress.com 08/10/2015IFMG Ouro Branco4

5 Avaliações Avaliações 1 e 2 – individuais e com questões abertas e fechadas (mista). Valor 30 Pontos cada uma. Avaliação 3 – individual e de múltipla escolha. Valor 30 Pontos. Relatório de laboratório: 10 pontos. Obs: caso não ocorra a aula de laboratório esta avaliação será trocada por um trabalho sobre material técnico a ser divulgado oportunamente. 08/10/2015IFMG Ouro Branco5

6 Diagrama Fe-Fe 3 C Constituintes Estruturais resultantes no resfriamento em equilíbrio termodinâmico: Hipoeutetóide  ferrita + perlita grosseira Eutetóide  perlita grosseira Hipereutetóide  cementita + perlita grosseira

7 Ferro comercialmente puro

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9 Aço eutetóide

10 Aço hipoeutetóide

11 Aço hipereutetóide

12 Propriedades x resfriamento lento

13 Efeitos aquecimento e resfriamento (Ac/Ar)

14 Efeito dos Elementos de liga na Austenita Adições de elementos químicos podem aumentar ou diminuir o campo de estabilidade da austenita. Transf.. Eutetóide

15 Ligas

16 Austenita

17 Mecanismos de endurecimento O que são mecanismos de endurecimento? - Obstáculos a movimentação das discordâncias que provocam um aumento da resistência mecânica do metal Quatro mecanismos de endurecimento: - Solução sólida - Precipitação/Partículas de segunda fase - Refino de grão - Encruamento

18 1) Solução Sólida Átomos de soluto ocupam lugares da rede cristalina de um dado metal; Estes átomos provocam distorção na rede; para minimizar a energia do material procuram lugares onde se acomodam mais facilmente => junto a discordâncias.... Dificuldade de movimentar discordâncias Aumento de resistência do material

19 IFMG Ouro Branco Efeito do átomo do soluto

20 IFMG Ouro Branco Acomodação do soluto Sol. Sólida Substitucional Sol. Sólida Intersticial

21 IFMG Ouro Branco 2) Precipitação de segundas fases O material exibe uma segunda fase, isto região com composição e características distintas, dispersa na matriz. Provocarem distorção na rede; As discordâncias vão ter dificuldade em se movimentar através destas partículas (ex: carbonetos) Dificuldade de movimentar discordâncias Aumento de resistência do material

22 IFMG Ouro Branco Forma do precipitado A – precipitação coerente B – precipitação incoerente

23 IFMG Ouro Branco 3) Refino de Grão Regiões que apresentam distorção na rede atrapalhando a movimentação das discordâncias Contorno de Baixo ângulo Contorno de Alto ângulo

24 IFMG Ouro Branco 4) Encruamento A multiplicação do número de discordâncias durante a deformação de um metal reduz o caminho livre entre discordâncias, isto é, sua movimentação é reduzida.

25 Difusão

26 Definição É o fenômeno de transporte de material através do movimento dos átomos. Muitas reações e processos que são importantes no tratamento de materiais dependem da transferência de massa, seja no interior de um sólido específico (geralmente em um nível microscópico) ou a partir de um líquido, gás ou outra fase sólida

27 IFMG Ouro Branco ALGUMAS APLICAÇÕES: Filtros para purificação de gases Homogeneização de ligas com segregação Modificação superficial de peças Dopagem de semicondutores Sinterização

28 Interdifusão – átomos de um metal difundem para o interior de um outro

29 Autodifusão A difusão também ocorre nos metais puros, porém nesse caso todos os átomos que estão mudando de posição são do mesmo tipo, não estando sujeita à observação pelo acompanhamento de mudança na composição. Isso é conhecido por AUTODIFUSÃO.

30 Mecanismos da Difusão É a migração em etapas dos átomos de um sítio para outro sítio do reticulado cristalino Duas condições devem ser atendidas: 1-Deve existir um sítio adjacente vazio. 2-O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações que o une à seus átomos vizinhos, e causar alguma distorção na rede cristalina durante o deslocamento. Energia é de natureza vibracional

31 Efeito da Temperatura A uma temperatura específica uma pequena fração do número total de átomos é capaz de realizar movimentos por difusão em virtude de suas energias vibracionais. Essa fração de átomos aumenta com o aumento da temperatura, pois aumentam suas energias vibracionais. Além disso o número de vazios aumenta com a temperatura segundo a relação

32 Mecanismos de Difusão em Metais DIFUSÃO POR LACUNA (ou substitucional) :Envolve o deslocamento de um átomo de uma posição normal na rede cristalina para um sítio vago do reticulado. Em temperaturas altas maior o número de lacunas o que aumenta a velocidade de difusão..Átomos se deslocam em uma direção e lacunas se deslocam no sentido oposto. DIFUSÃO INTERSTICIAL: Átomos que Migram de uma posição intersticial para uma outra que esteja vazia. Associada normalmente à átomos pequenos como hidrogênio, carbono, oxigênio e nitrogênio que possuem tamanho suficiente para se encaixarem nas posições intersticiais.

33 Recristalização

34 O que é recristalização?

35 Energia armazenada na deformação a frio Deformação a frio: deformações processadas em temperaturas baixas se comparadas à temperatura de fusão do material (cerca de 50% da T f ). Alguns autores associam um valor pouco superior a 10% da energia do sistema como a energia máxima armazenada na deformação a frio. Cobre: 99,999% pureza, 30% deformação.

36 Energia armazenada na deformação a frio A intensidade da energia armazenada pode aumentar significativamente se alterarmos algumas variáveis: Severidade da deformação a frio Temperatura de deformação mais baixa; Adição de ligas. Eleva-se a densidade de discordâncias De 10 10 a 10 12 m -2 (levemente recozido). 10 16 (fortemente deformado a frio). Alteram-se propriedades físicas e mecânicas do material: Resistência aumenta Dureza aumenta Resistividade elétrica aumenta Ductilidade cai.

37 Defeitos cristalinos

38 Liberação da energia armazenada Processamentos térmicos (recozimentos) produzem liberação da energia armazenada na deformação a frio. A energia armazenada em um metal deformado a frio é maior do que em um metal recozido em valor igual à energia armazenada na deformação.  G =  H + T  S  S tem pequena variação na deformação se comprada ao  H, assim,  G   H. Como  G do metal trabalhado a frio é maior que o do recozido, há uma tendência natural de decrescer  G por movimentos atômicos (ou movimentos de vacâncias ) Movimentos sensíveis à temperatura. Três estágios no recozimento ocorrem: Recuperação; Recristalização; Crescimento de grão.

39 Recuperação Ocorre nos instantes iniciais do recozimento e antes do início da recristalização. Após o início da recristalização ocorre nos grãos ainda não alterados pelo processo de recristalização.

40 Recuperação e o efeito da temperatura Na recuperação já ocorrem mudanças nas propriedades mecânicas e físicas do material. Lei de Arrhenius: 1 / t = Ae -Q/RT, onde: t = tempo para recuperação de uma fração da tensão de escoamento ocorrer. A = constante. Q = energia de ativação. R = constante universal dos gases T = temperatura absoluta

41 Exemplo de tempo de recuperação Recuperação do Zinco, Q = 83.140 Joules/mol Recupera 1/5 de seu limite de escoamento em t = 5 min à T=273K. A) Qual seria esse tempo se a temperatura fosse agora 300k? B) E se a temperatura fosse de – 50 ºC (223 K)? A) T = 300k: 1 / t 300 = Ae -Q/RT = Ae – Q/300R. 1 / t 273 = Ae -Q/RT = Ae – Q/273R. Dividindo-se a primeira expressão pela segunda: t 300 = t 273 e - Q/R(1/273 – 1/300), onde / t 273 = 5 min, Q = 83140 e R = 8,314 J/mol.k t 300 = 0,185 min B) t 223 = 25.000 min ou 17 dias.

42 Poligonização Recuperação que ocorre com o realinhamento do excesso de deslocações presentes no material conformado a frio, quando um cristal é tensionado. Surgem subcontornos de grão, com o alinhamento de discordâncias, portanto formando subgrãos no cristal. A formação de subgrãos se dá dentro dos grãos. O quanto maior for a temperatura na poligonização, maior será o seu desenvolvimento, facilitando o movimento de escalada das discordâncias no cristal ou subgrão.

43 Poligonização – Cristal Fe-Si

44 Recristalização A recristalização é um fenômeno termicamente ativado, que inicia-se lento, passa por um máximo de retorna a uma transformação final vagarosa. O método mais comum de se estudar a recristalização é a análise de curvas isotérmicas, onde para dado tempo de tratamento isotérmico se relaciona a fração recristalizada do material. Trata-se as amostras em diferentes tempos de recristalização, resfriando-se as amostras rapidamente ao se retirar do forno, calculando-se a fração recristalizada metalograficamente. Verifica-se que quanto maior a temperatura de tratamento isotérmico, maior a fração recristalizada na mesma unidade de tempo.

45 Como a recristalização começa?

46 Efeito do Tempo e Temperatura Para se calcular o tempo de recristalização de metade da estrutura (50% recristalizada), podemos usar a expressão de Ahrrenius: 1 / t = Ae -Q/RT. Temperatura de Recristalização = temperatura na qual um certo metal sob uma certa quantidade de deformação, geralmente em 1h se recristaliza totalmente.

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48 Efeito da taxa de deformação Maior taxa de deformação, menor energia de ativação necessária e menor temperatura de tratamento para a recristalização total do metal. Baixas deformações não promovem a obtenção de um núcleo crítico para o Início da recristalização (deformação Crítica).

49 Taxas de nucleação e de crescimento. A taxa de recristalização de um material depende da taxa de nucleação de grãos que nele se formam, e da taxa na qual eles crescem. Estas duas taxas definem o tamanho médio final do grão do material recristalizado. Formarão grãos finos: Taxa de nucleação (N): alta. Taxa de crescimento (G): baixa. Formarão grãos grosseiros: Taxa de nucleação (N): baixa; Taxa de Crescimento (G): alto. N = número de grãos que se formam por unidade de tempo (s) em 1 cm 3 de uma matriz não recristalizada. G = taxa de crescimento do diâmetro médio de um grão recristalizado. Na prática, mede- se através da quantidade de grãos que tenham o mesmo comprimento médio em um certo intervalo de tempo para uma certa temperatura de tratamento.

50 Efeito do refinamento de grão

51 Outras variáveis na recristalização Além da temperatura de recozimento e da taxa de deformação do material, há outras variáveis de influência na recristalização: Pureza do metal (ou composição do metal) Tamanho inicial do grão: grãos menores => maior interface de contornos e maior deformação nos átomos adjacentes às bordas do contorno de grão. Crescimento de grão: ao crescer, baixa-se a energia de contorno de grão associada ao contorno (processo de crescimento da bolha de sabão).

52 Recristalização secundária Um grão pode crescer através de coalescência de seus grãos vizinhos, após uma obstrução ao seu crescimento livre, seja por presença de inclusões, por formação geométrica dos grãos ou por uma orientação de grãos preferencial. A este processo chamamos de recristalização secundária.

53 Transformação da Austenita Diagramas de Resfriamento Contínuo

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55 Tempo de austenitização a partir da perlita

56 Diagrama TTT – Tempo-Temperatura-Transformação

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60 Diagrama TRC - de resfriamento contínuo

61 TRC + TTT

62 Efeito da seção da peça

63 Efeito de grande seção de peça