Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
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Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz
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Transformações de Fases
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Transformações de Fases
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1) Transformações envolvendo difusão
1a) Transformações alotrópicas, solidificação de metal puro,
crescimento de grãos: Não existem alterações no número ou na composição
das fases presentes.
1b) Transformações com alguma alteração nas fases presentes. Ex.
reação eutetóide.
2) Transformações sem difusão onde ocorre a formação de uma
fase metaestável
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Cinética das Reações no
Estado Sólido
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Como a maioria das reações dá origem à formação de novas
fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As etapas
de uma transformação são:
fase.
1) Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova
2) Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que
as condições de equilíbrio sejam atingidas.
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Nucleação, crescimento e
energia livre
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Variação da energia livre, G
Energia de livre de superfície
GS = 4r2
(necessita de energia para criar a
interface, desestabiliza os núcleos)
GT = GS + GV (energia livre total)
Núcleos
diminuem
r* = raio crítico
= tensão superficial
G = energia livre / unidade de volume
Núcleos
crescem
Energia livre volumétrica
GV = 4/3 r3 G
(libera energia)
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Cinética das Reações no
Estado Sólido
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A cinética de uma reação (= dependência com
relação ao tempo da taxa de transformação) é
fundamental para o tratamento térmico de materiais.
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Cinética das Reações no
Estado Sólido
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Cinética das Reações no
Estado Sólido
Fração de transformação
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y = 1-
n
kt
e
(Equação de Avrami)
y = fração de transformação
k, n = constantes
t = tempo de aquecimento
Nucleação
Crescimento
Logaritmo do tempo de aquecimento
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Cinética das Reações no
Estado Sólido
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A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário para
que metade da transformação ocorra:
Fração de transformação
r=
Nucleação
Crescimento
Logaritmo do tempo de aquecimento
1
t0,5
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Cinética das Reações no
Estado Sólido
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Cinética das Reações no
Estado Sólido
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Fração Recristalizado (%)
Influência da temperatura sobre a taxa de transformação
(Ex. recristalização do cobre)
Tempo (min)
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Influência da temperatura sobre
a taxa de transformação
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De uma maneira geral,
r = Ae -Q/RT
Processo termicamente ativado
 Temperatura  Taxa
A = constante independente de T
Q = energia de ativação da reação
R = constante universal dos gases = 8,31 J/mol-K
T = temperatura absoluta (K)
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Transformações multifásicas
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 Transformações de fase podem ocorrer em função de variações
de temperatura, pressão e composição. Os tratamentos térmicos
(=cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases) são a
forma mais conveniente de induzir transformações de fases.
 O diagrama de fases não indica o tempo necessário para
transformações em equilíbrio.
 Na prática, os tempos de resfriamento necessários para as
transformações entre estados de equilíbrio são inviáveis.
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Transformações multifásicas
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Transformações fora das condições de
equilíbrio ocorrem em temperaturas menores.
Super-resfriamento
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Transformações multifásicas
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No aquecimento, o deslocamento se dá para
temperaturas mais elevadas.
Sobreaquecimento
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Diagramas de Transformações
Isotérmicas
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
resfriamento
aquecimento
 + Fe3C
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Diagramas de Transformações
Isotérmicas
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resfriamento
aquecimento
perlita
Porcentagem de Perlita

 Temperatura
 Taxa de transformação
Tempo (s)
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Diagramas de Transformações
Isotérmicas
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Uma maneira mais conveniente de representar a dependência de uma
reação com o tempo e a temperatura é o diagrama de transformação isotérmica:
Austenita
(estável)
Temperatura eutetóide
Temperatura (°C)
Austenita
(instável)
Menor temperatura  maior taxa
Perlita
Curva de 50% de conclusão
Curva de conclusão
(100% de perlita)
Curva de início
(0% de perlita)
Tempo (s)
r = Ae -Q/RT ?
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Diagramas de Transformações
Isotérmicas
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Temperatura de transformação em equilíbrio
Temperatura
Taxa de
Crescimento (Difusão)
Taxa total de
Transformação
Taxa de
Nucleação (Solidificação)
Taxa 
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Diagramas de Transformações
Isotérmicas
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Porcentagem de austenita
transformada em perlita
Temperatura constante ao longo de toda a transformação
Temperatura da
transformação 675 °C
Final da
transformação
Início da
transformação
Tempo (s)
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Diagramas de Transformações
Isotérmicas “Reais”
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Temperatura (°C)
Austenita
Temperatura eutetóide
Perlita
grosseira
Perlita fina (Menor difusão = camadas mais finas)
Transformação
austenitaperlita
Indica a ocorrência de
uma transformação
Tempo (s)
Temperaturas
altas

difusão
em
maiores
distâncias  camadas mais
espessas
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Perlita Grosseira
Perlita Fina
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A perlita se torna mais fina com a redução da temperatura de
transformação.
Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação de
agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita.
Esta estrutura é conhecida por bainita superior.
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Para temperaturas entre 200 e 300 °C ocorre a formação de
placas finas de ferrita e partículas de cementita. Esta estrutura é
conhecida por bainita inferior.
Perlita = estrutura lamelar
Bainita = agulhas ou placas
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Diagramas de Transformações
Isotérmicas
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Perlita
Taxa máxima
Bainita
A = austenita
P = perlita
B = bainita
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Transformações perlíticas e bainíticas
são concorrentes.
A taxa da transformação bainítica
aumenta com o aumento da temperatura
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Cementita Globulizada
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Se uma liga perlítica ou bainítica for aquecida e mantida por um
tempo suficientemente longo a uma temperatura abaixo da temperatura
eutetóide (ex. 700 °C, 18 a 24 horas), tem-se a formação da Cementita
Globulizada.
Partículas esféricas
reduzem a área dos
contornos entre as
fases!
Cementita
Ferrita
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Transformação martensítica
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Quando a austenita é resfriada rapidamente (temperada)
até temperaturas próximas à ambiente tem-se a formação de uma
estrutura monofásica fora de equilíbrio: a martensita.
ferro
carbono
Estrutura Tetragonal de Corpo Centrado (TCC)
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Transformação martensítica
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Transformação martensítica
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
Não envolve difusão  transformação instantânea

Duas diferentes microestruturas:
menos de 0,6%p C  ripas
mais de 0,6%p C  lentículas
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Transformação martensítica
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As linhas horizontais indicam
que a transformação não
depende do tempo. Ela é apenas
uma função da temperatura de
resfriamento! (transformação
atérmica)
Temperatura (°C)
Temperatura eutetóide
M (início)
Percentual de transformação
de austenita em martensita
Tempo (s)
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Transformação martensítica
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A presença de outros elementos além do carbono altera o
diagrama de transformação isotérmica.
Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C,
1,8% Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn
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Transformação por
resfriamento contínuo
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 Os tratamentos isotérmicos não são os mais práticos pois a liga tem
de ser aquecida a uma temperatura maior que a temperatura eutetóide
e então resfriada rapidamente e mantida a uma temperatura elevada!
 A maioria dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento contínuo
até a temperatura ambiente  diagrama de transformação isotérmica
não é mais válido.
 No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas são deslocadas para
tempos maiores e temperaturas menores.
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Diagrama de transformação por
resfriamento contínuo
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Temperatura (°C)
Temperatura eutetóide
Transformação por
resfriamento contínuo
Tempo (s)
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Diagrama de transformação por
resfriamento contínuo
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Resfriamento moderadamente rápido e resfriamento lento
Temperatura (°C)
Início da
transformação
Com a continuidade do resfriamento a
austenita não convertida em perlita se
transforma em martensita ao cruzar a
linha M (início)
Resfriamento lento
(recozimento total)
Resfriamento
moderadamente rápido
(normalização)
M (início)
Microestrutura
Indica uma
transformação durante
o resfriamento
Perlita
fina
Perlita
grosseira
Tempo (s)
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Transformação por
resfriamento contínuo: taxa crítica
de resfriamento.
Temperatura (°C)
Taxa crítica de resfriamento
= taxa mínima para produção de uma
estrutura totalmente martensítica
M (início)
Martensita
Martensita
+
Perlita
Tempo (s)
Perlita
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Transformação por
resfriamento contínuo: taxa crítica
de resfriamento para ligas.
A presença de outros
elementos diminuem a taxa
de resfriamento crítica.
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Limite de escoamento e resistência à tração (103 psi)
A cementita é muito
mais dura que a ferrita!
%p Fe3C
Limite de
resistência à tração
Dureza Brinell
Limite de escoamento
Composição (%p C)
Índice de dureza Brinell
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
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Limite de escoamento = tensão mínima para provocar deformação plástica (permanente).
Limite de resistência à tração = tensão máxima suportada sob tração sem sofrer
fratura.
Dureza Brinell
P
Ex. Esfera de 10 mm
D
d
HB =
2P

πD D


2
2
D -d 


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Ductibilidade (%)
A cementita é muito mais
frágil que a ferrita!
%p Fe3C
Redução
de área
Alongamento
Composição (%p C)
Energia de impacto Izod (ft-lbf)
LaPTec
Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
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LaPTec
Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
A perlita fina é mais dura
que a perlita grosseira!
 Existe forte aderência entre ferrita
e cementita através dos contornos
entre as fases  e Fe3C. Quanto maior a
área superficial, maior a dureza.
Índice de Dureza Brinell
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Perlita
fina
Perlita
grosseira
 Os contornos de grão restringem o
movimento de discordâncias. Assim,
maior área superficial, maior dureza.
Composição (%p C)
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Cementita globulizada
Menor área de contorno de
grãos por unidade de volume =
menor dureza e maior ductibilidade
Índice de Dureza Brinell
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
Perlita
fina
Perlita
grosseira
Cementita
globulizada
Composição (%p C)
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Bainita
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Partículas mais finas
Maior resistência
Maior dureza.
Perlita
Índice de dureza Brinell
Bainita
Temperatura de transformaçao (°C)
Limite de resistência à tração (MPa)
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
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A liga de aço mais dura,
mais resistente e
mais frágil!
 A dureza está associada à
eficiência dos átomos de carbono
em restringir o movimento das
discordâncias.
 Como a austenita é mais
densa que a martensita, ocorre
aumento de volume durante a
têmpera podendo causar trincas.
Martensita
Índice de dureza Brinell
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
Martensita
Perlita fina
Composição (%p C)
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
Martensita Revenida
 Após a têmpera, a martensita é tão frágil que não pode ser
usada na maioria das aplicações.
 Pode-se melhorar a ductibilidade e a tenacidade da
martensita com um tratamento térmico, o revenido.
 Revenido = aquecimento a temperaturas abaixo da
temperatura eutetóide durante algum tempo seguido por
resfriamento lento até a temperatura ambiente.
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
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O revenido permite, através de processos de
difusão, a formação da martensita revenida:
Martensita
(TCC, monofásica)

Tratamento
térmico
Martensita revenida
( + Fe3C)
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
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Martensita Revenida
(pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita)
Ferrita
Martensita Lenticular
Cementita
Austenita
Martensita
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
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Martensita Revenida
(9300X)
Cementita Globulizada
(1000X)
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
Martensita Revenida
A martensita revenida é quase
tão dura quanto a martensita!
A fase contínua de ferrita
confere ductibilidade à martensita
revenida
Dureza Brinell
Martensita
Martensita revenida
a 371°C
Composição (%p C)
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Martensita Revenida
Como o revenido envolve
difusão do carbono, quanto
maior a temperatura e/ou o
tempo de tratamento, maior
será a taxa de crescimento
(=diminuição da área de
contato entre os grãos) das
partículas
de
Fe3C
e,
portanto, do amolecimento
da martensita.
Dureza Brinell
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Dureza Rockwell C
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Comportamento mecânico das ligas
Fe-C
Tempo de tratamento (s)
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Comportamento mecânico das ligas
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Resumo
Austenita
(ferrita CFC)
Resfriamento
lento
Perlita
( + Fe3C)
Resfriamento
moderado
Bainita
( + partículas Fe3C
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita
(TCC)
Reaquecimento
Martensita revenida