Sistema Fe-C
Sistema Ferro - Carbono
Diagrama de equilíbrio Fe-C Ferro comercialmente puro - < 0,008% Ligas de aços 0 a 2,11 % de C Ligas de Ferros Fundidos acima de 2,11% a 6,7% de C Ferro alfa dissolve até 0,02% C Ferro gama dissolve ate 2,11 % C
Diagrama de equilíbrio Fe-C Ponto S : eutetóide - Aço Ponto C: eutético ferro fundido Aço hipoeutetóide 0,008-0,77 C Aço hipereutetóide 0,77-2,11 Fe Fundido hipoeutético 2,11-4,3 Fe Fundido hipereutético > 4,3 S C
Sistema Fe - C Eutético: 4,3%p C @ 1147 o C Peritético Eutético Eutetóide: 0,76%p C @ 727 o C Eutetóide Peritética: 0,17%p C @ 1493 o C
Fases estáveis Solubilidade do carbono: impureza intersticial α: ferrita (CCC) γ: austenita (CFC)
Fase metaestável Fe 3 C: cementita (ortorrômbica) - Muito dura e frágil; - Fase metaestável; (Temp. + tempo: grafita) - FoFos: Si auxilia Fe 3 C -> grafita
Influência do teor de C nas Propriedades
Evolução Microestruturas Concentração eutetóide Perlita: 88% ferrita (ferro alfa) + 12% cementita (Fe3C). Forma lamelar. Propriedades intermediárias
Evolução Microestruturas Concentração Hipoeutetóide
Evolução Microestruturas Concentração hipereutetóide
Influência de outros elementos de liga
Transformação de Fases em Metais Profa. Dra. Daniela Becker
Bibliografia Callister Jr., W. D. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. LTC, 5ed., cap 10 e 11, 2002. Shackelford, J.F. Ciências dos Materiais, Pearson Prentice Hall, 6ed., cap 10, 2008.
Sumário Diagrama TTT Transformações difusionais Transformações sem difusão Tratamentos térmicos Recozimento Normalização Têmpera e revenido Austêmpera e Martêmpera
Introdução Diagrama de fase microestrutura que deveria se desenvolver, supondo que a temperatura fosse alterada lentamente e o suficiente para manter o equílibrio Na prática o processamento de materiais tempo se torna um fator importante Tratamento térmico histórico da temperatura versus tempo cinética
A variável tempo
Introdução Ocorrências de fases ou transformações em temperaturas diferentes daquela prevista no diagrama Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagrama
Tratamentos Térmicos Velocidades de aquecimento e principalmente resfriamento provoca alterações nas transformações alotrópicas (ferro gama ferro alfa) Altera propriedades mecânicas dos metais. Tratamentos térmicos é o processo que eleva-se a temperatura até a sua transformação e controla-se a velocidade de seu resfriamento para obter características desejadas. O diagrama chamada Curva TTT (tempo temperatura transformação) possibilita o controle das transformações.
O diagrama TTT COM DIFUSÃO Sem variação no número e composição de fases Ex: solidificação metal puro e transformação alotrópica Com variação no número e composição de fases Ex: Transformação eutética, eutetóide... SEM DIFUSÃO Ocorre com formação de fase metaestável Ex: transformação martensítica A maioria das transformações de fase no estado sólido não ocorre instantaneamente, ou seja, são dependentes do tempo
Diagramas TTT início final
Diagramas TTT
Curvas TTT Utilizados para o estudo dos tratamento térmicos
Sistema Ferro - Carbono
Evolução Microestruturas Concentração eutetóide Perlita: 88% ferrita (ferro alfa) + 12% cementita (Fe3C). Forma lamelar. Propriedades intermediárias
Ex 1: Curva TTT para aço eutetóide Temperatura de austenitização Martensita +Fe 3 C Perlita -Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta).
Microestrutura Bainita Perlita grossa Perlita fina Martensita
Propriedades Perlita fina mais dura que a Perlita grossa fase cementita forte e rígida restringe severamente a deformação da fase ferrita Perlita grossa mais dúctil que a perlita fina Aços bainíticos possuem uma estrutura mais fina são mais resistentes e duros Martensita é fase mais dura, mais resistente e frágil
Ex 2: curvas TTT para aço eutetóide com as durezas especificadas das microestruturas Perlita grossa ~86-97HR B Perlita fina ~20-30HR C Bainita superior ~40-45 HR C Bainita inferior~50-60 HR C Martensita 63-67 HR C
Ex 3: Curvas de resfriamento a temperatura constante
Ex 4: Algumas curvas de resfriamento contínuo A (FORNO)= Perlita grossa B (AR)= Perlita + fina (+ dura que a anterior) C(AR SOPRADO)= Perlita + fina que a anterior D (ÓLEO)= Perlita + martensita E (ÁGUA)= Martensita No resfriamento contínuo, as curvas TTT deslocam-se um pouco para a direita e para baixo
Microestruturas resultantes do resfriamento rápido MARTENSITA A martensita se forma quando o resfriamento for rápido o suficiente de forma a evitar a difusão do carbono, ficando o mesmo retido em solução. Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo). Conseqüências: Geração de tensões residuais. Risco de empenamentos. Risco de trincas de têmpera (sempre intergranulares). AUSTENITA TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA COM AUMENTO DE VOLUME, que leva à concentração de tensões MARTENSITA
Microestruturas resultantes do resfriamento rápido MARTENSITA É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão) Microestrutura em forma de agulhas É dura e frágil (dureza: 63-67 Rc) Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase metaestável, por isso não aparece no diagrama) REVENIDO Reaquecimento por tempos maiores MARTENSITA REVENIDA É obtida pelo reaquecimento da martensita (fase alfa + cementita) Os carbonetos precipitam Forma de agulhas escuras A dureza cai Maior ductibilidade
Transformações AUSTENITA Perlita Resf. lento ( + Fe3C) + a fase próeutetóide Resf. moderado Bainita ( + Fe3C) Resf. Rápido (Têmpera) Martensita (fase tetragonal) reaquecimento Ferrita ou cementita Martensita Revenida ( + Fe3C)
Tratamentos Térmicos é um ciclo de aquecimento e resfriamento realizado nos metais com o objetivo de alterar as suas propriedades físicas e mecânicas, sem mudar a forma do produto. é normalmente associado com o aumento da resistência do material, mas também pode ser usado para melhorar a usinabilidade, a conformabilidade e restaurar a ductilidade depois de uma operação a frio. é uma operação que pode auxiliar outros processos de manufatura e/ou melhorar o desempenho de produtos, aumentando sua resistência ou alterando outras características desejáveis.
Tratamentos Térmicos Os aços são tratados para uma das finalidades abaixo: Amolecimento - (softening) O amolecimento é feito para redução da dureza, remoção de tensões residuais, melhoria da tenacidade, restauração da ductilidade, redução do tamanho do grão ou alteração das propriedades eletromagnéticas do aço. recozimento pleno normalização.
Tratamentos Térmicos Endurecimento (hardening) O endurecimento dos aços é feito para aumentar a resistência mecânica, a resistência ao desgaste e a resistência à fadiga. O endurecimento é fortemente dependente do teor de carbono do aço. têmpera. Para aumentar a resistência ao desgaste é suficiente a realização de um endurecimento superficial. têmpera superficial ou tratamento termo-químico,
Recozimento Pleno Objetiva remover tensões devido a tratamentos mecânicos, diminuir a dureza, melhorar a ductilidade é o processo de elevação de temperatura dentro do campo austenítico Resfriamento lento, feito dentro do forno
Normalização é o processo de elevação de temperatura dentro do campo austenítico, O material é deixado nesta temperatura até que toda a microestrutura esteja homogeneizada, mais fina e com isso melhores propriedades mecânicas. Após é removido do forno e resfriado em temperatura ambiente sob convecção natural.
Normalização vs Recozimento Normalização é substancialmente mais barato não existe o custo adicional de resfriamento no forno. A diferença principal entre peças recozidas e normalizadas é que as peças recozidas tem propriedades (ductilidade e usinabilidade) uniformes através de todo o seu volume enquanto que as peças normalizadas poderão ter propriedades não uniformes. Isto se dá porque no recozimento pleno, toda a peça fica exposta ao ambiente controlado do forno durante o resfriamento. No caso de peças normalizadas, dependendo da geometria da peça, o resfriamento não será uniforme, resultando em propriedades não uniformes do material.
Têmpera Resfriamento rápido objetivando o aumento da dureza (martensita), da resistência ao desgaste, da resistência a tração e diminuição da ductilidade
Revenimento Revenimento é um processo feito após o endurecimento por têmpera. Peças que sofreram têmpera tendem a ser muito quebradiças. A fragilidade é causada pela presença da martensita. A fragilidade pode ser removida pelo revenimento.
Tratamentos isotérmicos Austêmpera: consiste no aquecimento do aço a temperaturas acima da crítica, seguido de resfriamento rápido até o nível de temperatura correspondente à formação da bainita Substitui os tratamentos de têmpera e revenido, menos tensões internas não ocorrendo empenamento
Tratamentos isotérmicos Martêmpera: Objetivo é obter martensita Difere da têmpera porque ao atingir a temperatura de início da formação da martensita, o resfriamento é retardado de modo que esta se forme mais lentamente A formação da martensita se dá de modo uniforme através de toda seção da peça Redução de tensões internas e empenamento