TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS E MICROESTRUTURAS Engenharia e Ciência dos Materiais I Profa.Dra. Lauralice Canale 1º. Semestre 2017
TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS As condições de equilíbrio caracterizadas pelo diagrama de fases ocorrem apenas quando o resfriamento é dado em taxas extremamente lentas, o que para fins práticos é inviável Um resfriamento fora do equilíbrio pode ocasionar: Ocorrências de fases ou transformações em temperaturas diferentes daquela prevista no diagrama Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagrama
Cinética das Transformações Normalmente nesses estudos cinéticos a fração da transformação que ocorreu é medida como função do tempo, enquanto a temperatura é mantida cte. O progresso da transformação é verificado por meio de exame micrográfico ou medida de condutividade elétrica
Neste caso a fração transformada Y Equação de Avrami Taxa= 1/t0,5 Por convenção a taxa de transformação é considerada como o inverso de tempo necessário para que a transformação prossiga até metade de sua conclusão
Transformações desse tipo são observáveis em ligas metálicas e podem ser obtidas por meio de tratamentos térmicos. Neste caso a taxa ou velocidade de resfriamento determinará a microestrutura final. Para resfriamentos fora do equilíbrio, não é mais possível se prever as microestruturas utilizando os diagramas de equilíbrio. Para muitas ligas tecnologicamente importantes, a microestrutura preferida é a metaestável
CURVAS TTT As curvas TTT estabelecem relações entre a temperatura em que ocorre a transformação da austenita e a estrutura e propriedades das fases produzidas com o tempo. As transformações se processam à temperatura constante
CURVAS TTT início final
TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS Diagrama de Transformação isotérmica para uma liga Fe-C de composição EUTETÓIDE A transformação de austenita em perlita ocorre apenas se a liga for super resfriada até abaixo da temperatura do eutetóide Para temperaturas muito próximas do eutetóide, o superesfriamento é baixo necessitando de tempos longos para a transformação
TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS À esquerda da curva do início de transformação apenas austenita estará presente, enquanto que a direita da curva do término de transformação apenas existirá perlita. Entre as duas curvas ambas estão presentes
TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS A transformação isotérmica realizada a temperaturas imediatamente abaixo da temperatura do eutetóide produz uma perlita grosseira, enquanto que uma transformação a uma temperatura em torno de 540 o C produz perlita fina Temperatura Difusão Largura lamelas
2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.
PERLITA FINA E GROSSEIRA Fotomicrografias de (a)perlita grosseira (b)perlita fina À temperatura em torno de 540ºC é produzido uma perlita mais fina, pois com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão do carbono diminui, e as camadas se tornam progressivamente mais finas
BAINITA À medida em que a temperatura de transformação é reduzida após a formação de perlita fina, um novo microconstituinte é formado: a bainita Como ocorre na perlita a microestrutura da bainita consiste nas fases ferrita e cementita, mas os arranjos são diferentes No diagrama de transformação isotérmica a bainita se forma abaixo do joelho enquanto a perlita se forma acima
BAINITA Para temperaturas entre 300ºC e 540ºC, a bainita se forma como uma série de agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita (bainita superior) Para temperaturas entre 200ºC e 300ºC, a ferrita encontra-se em placas e partículas finas de cementita se formam no interior dessas placas (bainita inferior) A fotomicrografia (a) apresenta uma estrutura bainítica superior com finíssimas agulhas de ferrita, e (b) apresenta uma estrutura bainítica inferior com partículas de cementita formadas no interior das placas de ferrita
ESFEROIDITA Se uma liga de aço com microestrutura bainítica ou perlítica for aquecida e deixada a uma temperatura abaixo do eutetóide por uma longo tempo irá se formar a esferoidita Em lugar das lamelas alternadas de ferrita e cementita (perlita), ou das microestruturas observadas na bainita, o Fe 3 C aparece como partículas com aspecto esférico em uma matriz de ferrita Essa transformação ocorre mediante uma difusão adicional do carbono Força motriz para a transformação é a redução da fronteira entre as fases ferrita e Fe 3 C
Martensita É uma fase metaestável e de não-equilíbrio formada no aço sem difusão, sob condições nãoisotérmicas. Esta transformação de fase se dá por cisalhamento, ocorre por pequenos deslocamentos dos átomos ou íons (sem ocorrer difusão), e pelo fato de não envolver difusão acontece quase que instantaneamente. 16
(a) Célula unitária da martensita TCC relacionada à célula unitária da austenita CFC. (b) com o aumento da porcentagem de C, mais espaços intersticiais são preenchidos por átomos de C e a estrutura tetragonal da martensita se torna mais pronunciada. 17
MARTENSITA Sendo uma fase fora de equilíbrio, a martensita não aparece no diagrama de fases ferro carboneto de ferro É uma solução sólida supersatura de carbono (não se forma por difusão), todo o carbono permanece intersticial, podendo transformar-se em outras estruturas por difusão quando aquecida É dura e frágil, por isso é sempre necessário um tratamento de revenimento após a formação de martensita
A austenita tem uma estrutura cristalina CFC, a martensita TCC, o carbono fica retido dentro da célula, embora não haja espaço para acomodá-lo. Isto significa que há uma expansão volumétrica durante a transformação. A expansão causa tensões internas, que são percebidas através da alta resistência mecânica e dureza da martensita, muito embora tenha grande fragilidade. O início desta transformação está representado por uma linha horizontal designada por Mi ou Ms nos diagramas TTT. 20 Martensita
Diagrama TTT de uma liga Fe-C: A, austenita; B, bainita; M, martensita; P, perlita.
22 Efeito dos elementos de liga: diagrama TTT para uma liga SAE 4340.
2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. (a) a 1050 and (b) a 10110 steel.
MARTENSITA EM FORMA DE RIPAS Para ligas que contêm menos do que cerca de 0,6%de C, os grãos de martensita se formam como ripas São placas longas e finas, tais como as lâminas de uma folha Os detalhes microestruturais são muito finos e técnicas de micrografia eletrônica devem ser aplicadas para a análise dessa microestrutura
MARTENSITA EM FORMA LENTICULAR A martensita lenticular (ou em placas) é encontrada em ligas ferro-carbono com concentrações maiores que 0,6% de C Na fotomicrografia pode-se observar os grãos de martensita em forma de agulhas (regiões escuras) e austenita que não se transformou durante o resfriamento (regiões claras) denominada austenita retida
Fotomicrografia de uma liga de memória de forma (69%Cu-26%Zn-5%Al), mostrando as agulhas de martensita numa matriz de austenita
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C
RESFRIAMENTO CONTÍNUO A maioria dos tratamentos térmicos para os aços envolve o resfriamento contínuo de uma amostra até a temperatura ambiente Um diagrama de transformação isotérmica só é válido para temperatura constante e tal diagrama deve ser modificado para transformações com mudanças constantes de temperaturas No resfriamento contínuo o tempo exigido para que uma reação tenha seu início e o seu término é retardado e as curvas são deslocadas para tempos mais longos e temperaturas menores
RESFRIAMENTO CONTÍNUO A transformação tem início após um período de tempo que corresponde à intersecção da curva de resfriamento com a curva de início da reação, e termina com o cruzamento da curva com o término da transformação Normalmente, não irá se formar bainita para aços ferro-carbono resfriados continuamente, pois toda a austenita se transformará em perlita Para qualquer curva de resfriamento que passe por AB a austenita não reagida transforma-se em martensita
RESFRIAMENTO CONTÍNUO Para o resfriamento contínuo de uma liga de aço existe uma taxa de têmpera crítica que representa a taxa mínima de têmpera para se produzir uma estrutura totalmente martensítica Para taxas de resfriamento superiores à crítica existirá apenas martensita. Além disso existirá uma faixa de taxas em que perlita e martensita são produzidos e finalmente uma estrutura totalmente perlítica se desenvolve para baixas taxas de resfriamento
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
PROPRIEDADES MECÂNICAS A cementita é mais dura, porém mais frágil do que a ferrita. Dessa forma, aumentando a fração de Fe 3 C irá resultar em um material mais duro e mais resistente. A espessura da camada de cada fase também influencia. A perlita fina é mais dura e mais resistente que a perlita grosseira. A perlita fina possui maior restrição ao movimento de discordâncias e um maior reforço de cementita na perlita, devido à maior área de contornos de fases Na esferoidita, existe uma menor área de contornos e menor restrição de discordâncias, portanto é menos dura e menos resistente
PROPRIEDADES MECÂNICAS Uma vez que a cementita é mais frágil, o aumento do seu teor resultará em uma diminuição de ductilidade A perlita grosseira é mais dúctil que a perlita fina, pois existe uma maior restrição à deformação plástica na perlita fina A esferoidita é extremamente dúctil, muito mais do que a perlita fina e perlita grosseira. Além disso são extremamente tenazes, pois qualquer trinca encontra uma pequena de partículas frágeis de cementita
PROPRIEDADES MECÂNICAS A martensita é mais dura, mais resistente e mais frágil. A sua dureza depende do teor de carbono para aços com até aproximadamente 0,6% de C Essas propriedades são atribuídas aos átomos de carbono intersticiais que restringem o movimento de discordâncias A martensita revenida possui partículas de cementita extremamente pequenas, o que lhe dá uma melhor ductilidade e tenacidade
EFEITO DE ELEMENTOS DE LIGA NAS CURVAS TTT AISI 1335 AISI 5140 Praticamente o mesmo teor de carbono mas com diferentes elementos de liga
MARTENSITA REVENIDA No estado temperado, a martensita, além de ser mais dura, é tão frágil que não pode ser utilizada para a maioria das aplicações As tensões internas que possam ter sido introduzidas durante a têmpera tem um efeito de enfraquecimento A ductilidade e a tenacidade podem ser aprimoradas e as tensões internas aliviadas através um tratamento de revenimento O revenido é conseguido através do aquecimento de um aço martensítico até uma temperatura abaixo do eutetóide durante um intervalo de tempo específico Esse tratamento permite, através de processos de difusão, a formação de martensita revenida
A microestrutura da martensita revenida consiste de partículas de cementita extremamente pequenas e uniformemente dispersas em uma matriz contínua de ferrita. Esta microestrutura é semelhante à globulizada exceto que as partículas de cementita são muiiiiito pequenas menores. O tamanho das partículas de cementita influencia o comportamento mecânico da martensita revenida. O aumento do tamanho das partículas diminui a área de fronteiras entre as fases ferrita e cementita e, consequentemente, resulta em um material de menor dureza e menor resistência.
A martensita revenida pode ser tão dura quanto a martensita, porém com ductilidade e tenacidades melhoradas. A dureza e resistência podem ser explicadas pela grande área de fronteiras por unidade de vol entre as fases ferrita e cementita que existe para as numerosas e finas partículas de cementita. Essas partículas reforçam a matriz de ferrita ao longo das fronteiras, que por sua vez atuam como barreiras para o movimento das discordâncias durante a deformação plástica. A fase contínua de ferrita é muito dúctil e relativamente tenaz, o que responde pela melhoria dessas propriedades no revenimento.
2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. Revenido
Com o aumento de tempo, a dureza diminui, o que corresponde ao crescimento e coalescência das partículas de cementita O coalescimento é idêntico ao tratamento de esferoidização,por isso em tratamentos à temperaturas que se aproximam do eutetóide e após várias horas a estrutura será composta por cementita globulizada
TRANSFORMAÇÕES Resf. lento Perlita ( + Fe3C) + a fase próeutetóide Ferrita ou cementita AUSTENITA Resf. moderado Bainita ( + Fe3C) Martensita (fase tetragonal) Martensita Revenida ( + Fe3C) Resf. Rápido (Têmpera) reaquecimento