TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS CMA CIÊNCIA DOS MATERIAIS 2º Semestre de 2014 Prof. Júlio César Giubilei Milan

2 Materiais metálicos Ampla gama de propriedades mecânicas Mecanismos de aumento de resistência Refino do tamanho de grão; Formação de solução sólida; Encruamento. Outras técnicas através de alterações da microestrutura. Transformações de fases (alteração no número e/ou natureza das fases).

3 Transformações de fases TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS Envolve alterações da microestrutura; Transformações divididas em três classificações: Dependem da difusão e não há alterações do número e composição de fases. Solidificação de um metal puro; Transformações alotrópicas; Recristalização e crescimento de grão. Dependem da difusão e há alterações nas composições das fases e, frequentemente, no número de fases. Reação eutetóide. Sem difusão com produção de uma fase metaestável. Transformação martensítica.

4 Transformações de fases - Cinética Envolve tempo rearranjo atômicos via difusão; Aumento da energia associada a contornos da nova fase impedimento à formação da nova fase. 1º estágio Formação da nova fase nucleação de partículas (núcleos) muito pequenos da nova fase. 2º estágio crescimento da nova fase até condição de equilíbrio seja atingida. Cinética de uma transformação dependência em relação ao tempo da taxa de transformação IMPORTANTE para tratamento térmico de metais.

5 Fração da transformação, y TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS A fração da reação que se processou é medida como uma função do tempo (Temperatura = cte).=> análise micrográfica ou de propried. Dados curva S que representa o comportamento cinético típico para maioria das reações em estado sólido. y 1 exp( kt n ) K e n constantes independentes do tempo Equação de Avrami r 1 t 0,5 Taxa de transformação Por convenção Logarítmo do tempo de aquecimento Fig. - Fração da transformação em função do log do tempo, típico para muitas transformações em estado sólido onde a temp. é mantida constante.

6 Fração da transformação, y TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS nucleação crescimento Logarítmo do tempo de aquecimento Fig. - Fração da transformação em função do log do tempo, típico para muitas transformações em estado sólido onde a temp. é mantida constante.

7 A temperatura pode ter uma influência profunda sobre a cinética e sobre a taxa de transformação r Ae Q RT R Constante dos gases T Temperatura absoluta A cte independente da temperatura Q Energia de ativação específica para a reação em questão Fig. Porcentagem de recristalização em função do tempo e a uma temperatua constante para o cobre puro.

8 Transformações Multifásicas Transformações de fase são induzidas através de alterações de temperatura tratamentos térmicos. Corresponde a se cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases composição-temperatura à medida que uma liga é aquecida ou resfriada. A maioria das transformações necessita de um tempo finito para atingir sua conclusão. Velocidade ou taxa importante na relação entre o tratamento térmico e o desenvolvimento da microestrutura.

9 Transformações Multifásicas Limitação do diagrama de fases NÃO indica o tempo necessário para que o equilíbrio seja atingido. Taxa de aproximação do equilíbrio muito lenta estruturas em verdadeiro equilíbrio raramente são atingidas. Resfriamento em condições de equilíbrio inviável na prática. Para condições fora do equilíbrio transformações deslocadas para temperaturas mais baixas do que as indicadas no diagrama de fases (resfriamento).=> superresfriamento. Para taxas normais de resfriamento, a reação eutetóide (Fe- C) é deslocada entre 10 e 20 C abaixo.

10 Transformações Multifásicas Ocasionalmente deseja-se estruturas metaestáveis diferentes daquelas obtidas nas condições de equilíbrio estudo da INFLUÊNCIA do TEMPO nas transformações de fase. TRATAMENTO TÉRMICO => operação de aquecimento e resfriamento controlados, que visam afetar as características de aços e ligas especiais (Silva e Mei, 2008).

11 Alterações Microestruturais e das Propriedades em Ligas Ferro-Carbono Estudo nas ligas Fe-C => trat. térmico e desenvolvimento da microestrutura. DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS PERLITA Reação eutetóide TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS resfriamento ( 0,76% pc) (0,0022% pc) Fe3C(6,70% pc) aquecimento Temperatura desempenha papel importante na transformação da austenita em perlita.

12 Amostra resfriada rapidamente até a temp. indicada no gráfico e foi mantida cte até o final da reação Fig. Para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide (0,76%p C), a fração reagida isotermicamente em função do log do tempo para transformação de austenita em perlita

13 Forma mais conveniente de apresentar a dependência da reação em relação ao tempo. Fig. Demonstração de como um diagrama de transformação isotérmica (parte inferior) é gerado a partir de medições da porcentagem da transformação em função do logarítimo do tempo. A taxa de transformação aumenta com o aumento da temperatura?

14 Ao longo desta faixa de temperatura (540 a 727 C), a taxa de transformação é controlada pela taxa de nucleação da perlita, e a taxa de nucleação diminui com o aumento da temperatura (menos super-resfriamento).

15 Gráfico Diagrama de Transformação Isotérmica ou gráficos Transformação Tempo Temperatura (TTT) Válido para uma única liga Fe-C Precisos somente quando a temperatura da liga é mantida constante (isoterma)

16 perlita grosseira perlita fina Fig. Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono de composição eutetóide. Para um tratamento isotérmico (ABCD).

17 Fig. Fotomicrografias de amostras de (a) perlita grosseira e (b) perlita fina. Ampliação de 3000 X.

18 BAINITA Temperatura abaixo daquela na qual a perlita fina se forma são formados outros microconstituintes Bainita Bainita superior Bainita inferior Consiste em ferrita e cementita, porém com arranjos distintos da estrutura lamelar da perlita Entre 300 e 540 C Bainita superior série de ripas paralelas (tiras finas e estreitas) ou agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita.

19 Fig. Micrografia eletrônica de transmissão de réplica que mostra a estrutura da bainita superior.

20 BAINITA Entre 200 e 300 C Bainita inferior ferrita na forma de placas finas e partículas estreitas de cementita (forma de bastões ou lâminas muito finas) se formam no interior das placas de ferrita.

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

22 CEMENTITA GLOBULIZADA Aquecimento a temperatura abaixo da temperatura eutetóide, por longo período (700 C, h) cementita globulizada força motriz é a redução na área de contornos entre as fases e Fe 3 C Fig. Fotomicrografia de um aço que possui uma microestrutura de cementita globulizada. As partículas pequenas são de cementita, a fase contínua consiste em ferrita X.

23 MARTENSITA Resfriamento rápido (temperadas) até uma temperatura baixa. Estrutura monofásica TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS Transformação polimórfica, CFC TCC (tetragonal de corpo centrado) Transformação com ausência de difusão. Fig. Célula unitária tetragonal de corpo centrado (TCC) para o aço martensítico mostrando átomos de ferro (círculos) e os sítios que podem ser ocupados por átomos de carbono (cruzes). Para essa célula unitária tetragonal, c>a.

24 MARTENSITA Ocorre quase instantaneamente (não envolve difusão). Dois tipos de estruturas martensíticas nas ligas Fe-C < 0,6 %p C em ripas (placas longas e finas, tais como lâminas de uma folha de grama) lado a lado alinhadas paralelamente. > 0,6 %p C lenticular (placas). Aparência em forma de agulhas

25 MARTENSITA TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS Em branco austenita retida. Austenita que não se transformou no processo de resfriamento rápido. Fig. Fotomicrografia mostrando a microestrutura martensítica lenticular ou em placas.

26 MARTENSITA Não aparece no diagrama de fases fora do equilíbrio. No diagrama isotérmico linhas horizontais (início, 50 % e 90%) Independente do tempo (depende exclusivamente da temperatura) Elementos de liga (Cr, Ni, Mo e W) alterações significativas na posição e forma das curvas TTT

27 Fig. Diagrama de transf. Isotérmica completo para uma liga Fe-C de composição eutetóide Fig. Diagrama de transf. Isotérmica completo para um aço liga 4340.

28 (a) Resfriamento rápido até 350 C, manutenção dessa temperatura por 10 4 s, resfriamento rápido até temp. ambiente. (b) Resfriamento rápido até 250 C, manutenção dessa temperatura por 100 s, resfriamento rápido até temp. ambiente. (c) Resfriamento rápido até 650 C, manutenção dessa temperatura por 20 s, resfriamento rápido até 400 C, manutenção dessa temperatura por 1000 s, resfriamento rápido até temp. ambiente.

29 Propriedades Mecânicas das Ligas Fe-C A resistência e dureza são inversamente proporcionais ao tamanho dos microconstituintes. Perlita Perlita fina é mais dura e resistente que a perlita grosseira; Bainita Mais dura e resistente que a perlita; Cementita globulizada ou Esferoidita Macia; Martensita Dura, resistente mas muito frágil.

30 MARTENSITA REVENIDA No estado temperado => martensita extremamente dura e frágil, com tensões internas => enfraquecimento; Ductilidade e tenacidade melhoradas => REVENIDO; Aquecimento até temperatura abaixo da eutetóide (250 a 650 C) por um período de tempo específico. Formação da martensita revenida; martensita ( TCC, monofásica) martensita ( fases_ Fe Microestrutura => partículas de cementita extremamente pequenas e uniformemente distribuídas numa matriz contínua de ferrita. _ revenida 3 C)

31 MARTENSITA REVENIDA TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS Micrografia eletrônica da martensita revenida. O revenido foi realizado a 594 C. As partículas pequenas são compostas pela fase cementita; a fase matriz é composta por ferrita X. Dureza em função do tempo de revenido para um aço comum ao carbono (1080) com composição eutetóide que foi temperado em água.

32 Austenita Resfriamento lento Resfriamento moderado Resfriamento rápido Perlita ( + Fe 3 C) + fase proeutetóide Bainita ( + Fe 3 C) Martensita (fase TCC) Reaquecimento Martensita revenida ( + Fe 3 C) As linhas sólidas são transformações difusionais, as tracejadas são transformações martensiticas sem difusão

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