Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1. Transformações de fases

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1 Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1 Transformações de fases 1º semestre / 2016

2 Transformações de fases Questões a abordar Transformação de uma fase em outra demanda tempo. Fe C CFC g (Austenita) Transformação eutetoide Fe 3 C (cementita) + a (ferrita) (CCC) Como a taxa de transformação depende do tempo e da temperatura? É possível reduzir transforamações de modo que estruturas fora de equilíbrio sejam formadas? As propriedades mecânicas de estruturas fora de equilíbrio são mais desejáveis que estruturas de equilíbrio? 2

3 Nucleação Transformações de fases núcleos agem modelos nos quais os cristais crescem para a formação de núcleos a taxa de adição de átomos no núcleo deve ser maior que a taxa de perda uma vez nucleado, crescimento prossegue até que o equilíbrio seja atingido Força motriz para nucleação aumenta com o aumento de T super-resfriamento (eutética, eutetoide) superaquecimento (peritética) Pequeno super-resfriamento baixa taxa de nucleação poucos núcleos cristais grandes Grande super-resfriamento alta taxa de nucleação muitos núcleos cristais pequenos 3

4 Solidificação: tipos de nucleação Nucleação homogênea núcleos formam no metal líquido necessita de considerável super-resfriamento (80-300ºC) Nucleação heterogênea mais fácil por que uma superfície de nucleação já está presente ex.: parede do molde, impurezas na fase líquida pequenos super-resfriamento (0.1-10ºC) 4

5 Nucleação homogênea e energia Energia livre de superfície- destabiliza os núcleos (consome energia para criar uma interface) 2 G S 4 r g g = tensão superficial G T = Energia livre total = G S + G V Energia livre de volume estabiliza os núcleos (libera energia) 4 3 G V r G G r* = raio crítico: para r < r* núcleos retraem; para r >r* núcleos crescem Adapted from Fig.10.2(b), Callister & Rethwisch 8e. (para reduzir energia) 3 energia livre de volume unidade de volume

6 Nucleação homogênea raio crítico r * gt 2 m H T f r* = raio crítico g = energia livre de superfície T m = temperatura de fusão H f = calor latente de fusão T = T m - T = superresfriamento Nota: H f e g são fracamente dependentes de T r* diminui quando T aumenta Para T típicos r* ~ 10 nm

7 Taxa de transformação de fase Cinética - estudo das taxas de reação de transformações de fases Para determinar a taxa de reação medir fração transformada em função do tempo (mantendo a temperatura constante) Como a fração transformada é medida? Difração de raios X Medidas de condutividade elétrica Medir a propagação de ondas sonoras 7

8 Fração transformada, y Taxa de transformação de fase T constante transformação completa 0,5 Nucleação t 0,5 Crescimento log t Equação de Avrami => y = 1- exp (-kt n ) fração transformada tempo k e n são parâmetros específicos de transformação taxa máxima alcançada quantidade não convertida diminui e taxa diminui taxa aumenta quando a área de superfície aumenta e núcleos crescem Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. Por convenção taxa = 1 / t 0,5 8

9 Porcentagem recristalizada Influência da temperatura na taxa de transformação 135 C 119 C 113 C 102 C 88 C 43 C Tempo (min) escala logarítmica Para recristalização de cobre, como taxa = 1/t 0,5 taxa aumenta com o aumento da temperatura com frequência, a taxa é tão baixa de modo que a obtenção de estados de equilíbrio não é possível! Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from B.F. Decker and D. Harker, "Recrystallization in Rolled Copper", Trans AIME, 188, 1950, p. 888.) 9

10 0,022 0,76 Fe 3 C (cementita) Transformações e resfriamento Transformação Eutetoide (sistema Fe-Fe 3 C): Para transformação ocorrer, deve ocorrer resfriamento para T < 727ºC g a + Fe 3 C 0,76 %p. C 6,7 %p. C 0,022 %p. C a ferrita 1600 d T(ºC) g g +L (austenita) 1148ºC g +Fe 3 C Eutetoide: Resf. equi.: T transf. = 727ºC T a +Fe 3 C Resfriamento para T transf. < 727 C L L+Fe 3 C 727ºC Adapted from Fig. 9.24,Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd ed., Vol. 1, T.B. Massalski (Ed.-in- Chief), ASM International, Materials Park, OH, 1990.) (Fe) C, %p. C 10

11 y (% perlita) % austenita A transformação eutetoide Fe-Fe 3 C Transformação de austenita para perlita: Austenita (g) contorno de grão Adapted from Fig. 9.15, Callister & Rethwisch 8e. g a a a a a a g cementita (Fe 3 C) Ferrita (a) direção de crescimento da perlita Difusão de C durante a transformação Para esta transformação, 100 taxa aumenta com: 600ºC ( T maior) [T eutetoide T ] ( T). 650ºC 50 Adapted from 0 Tempo (s) Perlita grossa formada em temperaturas mais altas relativamente macia Perlita fina formada em temperaturas mais baixas relativamente dura g 675ºC ( T menor) a a a g Difusão de carbono Fig , Callister & Rethwisch 8e. 11

12 y, % transformada Geração de Diagramas de Transformação Isotérmicos Considerar: O sistema Fe-Fe 3 C, for C 0 = 0,76% p. C Temperatura de transformação de 675ºC T = 675ºC T(ºC) Austenita (instável) Austenita (estável) Perlita transformação isotérmica a 675ºC tempo (s) T E (727ºC) tempo (s) Adapted from Fig ,Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for Metals, 1977, p. 369.) 12

13 Transformação isotérmica da austenita em perlita Composição eutetoide, C 0 = 0,76%p. C Começa em T > 727ºC Resfriamento rápido até 625ºC Manter T (625ºC) constante (tratamento isotérmico) T(ºC) 700 Austenita (instável) Austenita (estável) T E (727ºC) 600 g g g g g g Perlita Adapted from Fig ,Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from H. Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for Metals, 1997, p. 28.) tempo (s) 13

14 ,76 1,13 Fe 3 C (cementita) Transformações envolvendo composições não eutetoides T(ºC) A Considerar C 0 = 1,13%p. C A + C A A + P P T E (727ºC) a 1600 d T(ºC) g g +L (austenita) T L g +Fe 3 C a +Fe 3 C L+Fe 3 C 727ºC tempo (s) Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e ,7 (Fe) Adapted from Fig. 9.24, Callister & Rethwisch 8e. C, %p. C Composição hipereutetoide cementita pró-eutedoide 14

15 Bainita: outro produto de transformação no sistema Fe-Fe 3 C Bainita: -- partículas de Fe 3 C alongadas em uma matriz de ferrita a -- difusão controlada Diagrama de transformação isotérmico C 0 = 0,76% p. C 800 T(ºC) A Austenita (estável) A P 100% perlita 100% bainita B T E Fe 3 C (cementita) a (ferrite) 5 mm Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig from Metals Handbook, 8th ed., Vol. 8, Metallography, Structures, and Phase Diagrams, American Society for Metals, Materials Park, OH, 1973.) Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. tempo (s) 15

16 Esferoidita: Outra microestrutura para o sistema Fe-Fe 3 C Esferoidita (cementita globulizada): -- partículas de Fe 3 C no interior de uma matriz de ferrita a -- formação necessita de difusão -- aquecer bainita ou perlita em temperatura logo abaixo da eutetoide por longos tempos (recozimento subcrítico) -- força motriz redução da área de interface ferrita a/fe 3 C a (ferrita) Fe 3 C (cementita) 60 mm Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig copyright United States Steel Corporation, 1971.) 16

17 60 mm Martensita: um produto de transformação fora do equilíbrio Martensita: -- g(cfc) para Martensita (TCC) átomos de Fe Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. x x x x x x sítios que podem ser ocupador por C Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. Diagrama de transformação isotérmico 800 T(ºC) A Austenita (estável) A P M + A M + A M + A B T E 0% 50% 90% Agulhas de martensita Austenita Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig courtesy United States Steel Corporation.) transformação de g para martensita (M) -- é rápida! (sem difusão) -- % transf. depende somente de T e da taxa de resfriamento tempo (s) 17

18 Formação da martensita g (CFC) resf. lento a (CCC) + Fe 3 C têmpera M (TCC) revenido Martensita (M) monofásica possui estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado (TCC) Tranformação sem difusão TCC poucos planos de escorregamento dura, frágil 18

19 Martensita revenida g (CFC) resf. lento a (CCC) + Fe 3 C têmpera M (TCC) revenido (tratamento térmico entre 250 e 650ºC) Martensita revenida a (CCC) + Fe 3 C matriz Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig courtesy United States Steel Corporation.)

20 Temperatura (ºC) Temperatura (ºF) Trasformações de fases em ligas Efeito da adição de outros elementos Mudança na temperatura de transição. Temperatura eutetoide Cr, Ni, Mo, Si, Mn atrasam a reação g a + Fe 3 C (e a formação de perlita, bainita) Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. Tempo (s) 20

21 Temperatura (ºC) Temperatura (ºF) Diagramas de transformação por resfriamento contínuo Conversão do diagrama de transformação isotérmico para o diagrama de transformação por resfriamento contínuo Temperatura eutetoide Transformação por resfriamento contínuo Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. Curva de resfriamento 21

22 Tratamento térmico isotérmico - Exemplo No diagrama de transformação isotérmica para uma liga Fe-C com 0,45% p. de C, esboce e identifique as trajetórias tempotemperatura para as seguintes microestruturas: a) 42% de ferrita pró-eutetoide e 58% de perlita grossa b) 50% de perlita fina e 50% de bainita c) 100% de martensita d) 50% de martensita e 50% de austenita 22

23 Solução da Parte (a) do Exemplo a) 42% de ferrita pró-eutetoide e 58% de perlita grossa Tratamento isotérmico a ~ 680ºC -- toda austenita se transforma em a próeutetoide e perlita grossa. W perlita C = = T (ºC) A A M (start) M (50%) M (90%) diagrama Fe-Fe 3 C, para C 0 = 0,45% p. C A + a P B A + P A + B 50% W a = = 0.42 Adapted from Fig , Callister 5e tempo (s) 23

24 Solução da Parte (b) do Exemplo b) 50% de perlita fina e 50% de bainita Tratar isotermicamente a 800 ~ 590ºC T (ºC) 50% da austenita se transforma em perlita fina. 600 Então tratar isotermicamente a ~ 470ºC toda a austenita remanescente se transforma em bainita A A M (start) M (50%) M (90%) diagrama Fe-Fe 3 C, para C 0 = 0,45% p. C A + a P B A + P A + B 50% Adapted from Fig , Callister 5e tempo (s) 24

25 Soluções das Partes (c) e (d) do Exemplo c) 100% martensita têmpera até T ambiente d) 50% de martensita e 50% de austenita -- têmpera até ~ 290ºC, manter nesta temperatura 800 T (ºC) A A M (start) M (50%) M (90%) diagrama Fe-Fe 3 C, para C 0 = 0,45% p. C A + a P B A + P A + B 50% d) Adapted from Fig , Callister 5e. c) tempo (s) 25

26 0,76 0,76 Eergia de impacto (Izod, ft-lb) Propriedades mecânicas: Influência do teor de C Perlita (média) ferrita (macia) Adapted from Fig. 9.30, Callister & Rethwisch 8e. C 0 < 0,76% p. C Hipoeutetoide C 0 > 0,76% p. C Hipereutetoide Perlita (média) C ementita (dura) Adapted from Fig. 9.33, Callister & Rethwisch 8e. LRT(MPa) 1100 LE(MPa) Hipo Hiper 0 0,5 1 dureza %p. C %AL ,5 1 %p. C Aumento no teor de C: LRT e LE aumentam, %AL diminui 50 Hipo Hiper Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig based on data from Metals Handbook: Heat Treating, Vol. 4, 9th ed., V. Masseria (Managing Ed.), American Society for Metals, 1981, p. 9.) 26

27 Dureza Brinell Ductilidade (%RA) Propriedades mecânicas: Perlita fina vs. Perlita grossa vs. Esferoidita Dureza: %RA: Hipo Hiper perlita fina perlita grossa esferoidita 0 0,5 1 %p. C fina > grossa > esferoidita fina < grossa < esferoidita Hipo Hiper esferoidita 30 perlita grossa perlita fina 0 0 0,5 1 %p. C Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig based on data from Metals Handbook: Heat Treating, Vol. 4, 9th ed., V. Masseria (Managing Ed.), American Society for Metals, 1981, pp. 9 and 17.) 27

28 Dureza Brinell Propriedades mecâncias: Perlita fina vs. Martensita Hipo Hiper martensita perlita fina 0 0 0,5 1 %p. C Dureza: perlita fina << martensita. Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 36; and R.A. Grange, C.R. Hribal, and L.F. Porter, Metall. Trans. A, Vol. 8A, p ) 28

29 9 mm Martensita Revenida Tratamento térmico na martensita para formar martensita revenida martensita revenida menos frágil que a martensita revenido reduz tensões internas causadas pela têmpera Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig adapted from Fig. furnished courtesy of Republic Steel Corporation.) LRT (MPa) LE (MPa) LE %RA LRT %RA T revenido (ºC) Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. (Fig copyright by United States Steel Corporation, 1971.) revenido produz partículas pequenas de Fe 3 C circundadas por a. revenido diminui LE, LRT mas aumenta %RA 29

30 Resistência Ductilidade Resumo das possíveis transformações resf. lento Austenita (g) resfriamento moderado Têmpera rápida Adapted from Fig , Callister & Rethwisch 8e. Perlita (camadas de a + Fe 3 C + fase pró-eutetoide) Bainita (a + partículas Fe 3 C along.) Martensita Martensita rev. Bainita Perlita fina Perlita grossa Esferoidita Tendência geral Martensita (transformação para fase TCC sem difusão) reaquecimento Martensita revenida (a + finas partículas de Fe 3 C) 30

31 Bibliografia Callister 8ª edição Capítulo 10 completo Outras referências importantes Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição Cap. 12 e 13 CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7. ed., São Paulo: ABM, Cap. I, II, III e IV