A8 - Cinética e microestrutura das transformações estruturais

Transcrição

1 A8 - Cinética e microestrutura das transformações estruturais

2 Cinética vs. Equilíbrio Diagramas de fase: sistema em equilíbrio termodinâmico, para o qual os sistemas tendem, dado tempo suficiente Os Materiais, em geral, não são produzidos nem utilizados nos seus estados de equilíbrio Cinética refere-se à velocidade com que um dado processo ocorre as variáveis principais são o tempo e a temperatura conhecer a relação tempo-temperatura-microestrutura para controlar propriedades do produto

3 Força motriz para uma transformação de fase L S energia interna desordem S L

4 Superfícies internas fronteira das fases têm energia adicional energia interfacial SSASW Quando a nova fase se forma (ou nucleia) em pontos aleatórios da fase-mãe nucleação homogénea Quando a nova fase se forma (ou nucleia) preferencialmente em pontos específicos da fase-mãe nucleação heterogénea

5 Nucleação homogénea clustering de átomos adjacentes formação do núcleo cristalino crescimento da fase cristalina

6 Nucleação homogénea r * (1/ΔT) ΔG * 1/(ΔT) 2 a barreira de energia para a nucleação diminui com o grau de sobrearrefecimento

7 Velocidade e tempo de nucleação nucleação homogénea é extremamente difícil de conseguir no laboratório competição da nucleação heterogénea

8 Nucleação heterogénea A barreira de energia para nucleação heterogénea é sempre menor do que a barreira de energia para a nucleação homogénea a energia libertada pela eliminação da interface líquido-molde pode fornecer energia para formar as interfaces líquido-sólido e sólido-molde

9 MSOffice1 Crescimento duma nova fase fracção de material transformado X=1-exp[-(kt) n ] Depleção do soluto ou impedimento físico Tempo de incubação Válido em geral, incluindo cristalização de polímeros Crescimento da nova fase

10 Slide 9 MSOffice1 O tempo de incubação é função do sobrearrefecimento. O tempo de incubação é o tempo requerido para nuclear a fase. X é a fracção de fase transformada. Joao Pedro Conde, 3/16/2008

11 Construção de diagrama TTT isotérmico (IT)

12 Diagrama TTT (transformação isotérmica) de um aço eutectóide γ-fe α-fe+fe 3 C Arrefecimento rápido até T, seguido de manutenção a esta temperatura T=655 ºC 600 ºC 534 ºC 487 ºC

13 Fracção de perlite transformada

14 Diagrama TTT isotérmico para um aço eutectóide

15 JP5 Bainite Mistura de ferrite e cementite não-lamelar (T<550 ºC) ferrite cementite 495 ºC 410 ºC

16 Slide 14 JP5 Esta morfologia é energeticamente favorável em relação à perlite quando o sobrearrefecimento aumenta. Conde, 4/7/2003

17 JP6 Martensite 24 ºC -60 ºC -100 ºC

18 Slide 15 JP6 Se a austenite de composição 0.77 wt% C for arrefecida rapidamente a ~200 ºC, não forma uma mistura de ferrite e cementite por difusão. Um tipo diferente de transformação de fase, chamada atérmica, ou sem difusão, tem lugar. Deste modo, a quantidade de fase transformada depende apenas da temperatura, e não do tempo. Conde, 4/7/2003

19 JP7 Transformação martensítica (atérmica, ou sem difusão) Fase γ (austenite) -20 % +12% aumento de volume causa tensões Fase BCT (martensite)

20 Slide 16 JP7 Embora os valores específicos de a e c dependam do teor em carbono da liga, o volume aumenta sempre quando a austenite se transforma em martensite. Como resultado desta variação de volume, tensões internas significativas desenvolvem-se, e problemas com cracking podem ocorrer. Conde, 4/7/2003

21 Efeito do teor em C ferrite pró-eutectóide

22 Diagramas TTT Os diagramas TTT (IT): Material num campo de 1-só fase Instantâneamente arrefecido a uma dada temperatura Mantido a essa temperatura durante um certo tempo Os diagramas TTT (CT-continuous transformation): Utilizado quando o arrefecimento não é instantaneo Mais adequado numa operação comercial, quando são utilizadas peças grandes e de forma complexa

23 Diagrama TTT-CT para um aço eutectóide

24 Métodos de têmpera (direct quench) têmpera revenido a martensite é dura mas frágil necessário aumentar ductilidade

25 Métodos de têmpera (martêmpera) Minimiza gradientes térmicos no interior da amostra que podem levar à formação de fissuras na superfície

26 Propriedades mecânicas

27 Solidificação e homogeneização duma liga em equilíbrio (arrefecimento muito lento)

28 Solidificação e homogeneização duma liga fora do equilíbrio Assumiu-se: 1. Difusão no estado sólido desprezável 2. Mistura completa no líquido 3. A qualquer temperatura, a composição do sólido e do líquido em contacto na interface é dado pelo diagrama de equilíbrio

29 Próximas aulas [Estrutura dos materiais] Propriedades mecânicas dos materiais I (A9 e A10, dias 10 e 11 de Abril) Próxima aula prática P5 (8 e 9 de Abril): - discussão do TPC5 - diagramas ternários TPC5 devido sexta-feira, dia 11 de Abril Leitura: Thermodynamics of condensed phases, Kinetic processes in materials, B.S. Mitchell, An Introduction to Materials Engineering and Science for Chemical and Materials Engineers, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ, USA, 2004.