Transformações de Fases em Metais
• Transformação de uma fase em outra requer tempo.
Fe
g
(Austenita)
C
FCC
Reação
eutetóide
Fe 3C
(cementita)
+
a
(ferrita)
(BCC)
• Como a taxa de transformação se relaciona com o tempo e a
temperatura?
•
Como podemos modificar a taxa de transformação obter
estruturas de engenharia fora do equilíbrio?
• As propriedades mecânicas das estruturas fora do equilíbrio
são melhores?
Fração de Transformação
• A fração transformada é dependente do tempo.
Eq. de Avrami
-ktn
=
y 1 e
fração
transformada
tempo
1
y
N
0.5
0
C
N = Nucleação
C = Crescimento
Fixo
T
t0.5
log (t)
• A taxa de transformação depende da temperatura.
Energia de ativação
-Q /RT
1 =
=
r
Ae
t
0,.5
• r para situações de equilíbrio geralmente não é possível!
Nucleação e Crescimento de Cristais
• A taxa de reação é resultado da nucleação e
crescimento de cristais
100
% Perlita
Taxa de nucleação cresce w
/ DT
50 Nucleação
Crescim.
t50
0
Taxa de crescimento cresce w/T
log (tempo)
Adapted from
Fig. 10.1, Callister 6e.
• Exemplo:
g
Colônia de
perlita
T abaixo deTE
g
g
T moderadamente abaixo deTE T bem abaixo de TE
.
Taxa de nucleação baixa Taxa de nucleação moderada
Taxa de nucleação alta
Taxa de crescimento alta Taxa de cresc. moderada
Taxa de crescimento baixa
Transformação Eutetóide
%p C
Diagramas de Transformações Isotérmicas
• Sistema Fe-C, Co = 0,77%p C
• Transformação em T = 675ºC
Diagramas de Transformações Isotérmicas
 Composição eutetóide, Co = 0,77%p C
 Início em T > 727ºC
 Resfriada rapidamente até 625ºC mantida nesta isoterma.
Curvas
TTT
para uma liga
eutetóide de
Fe-C.
Morfologia da Perlita
• Dois casos:
 Ttransf logo abaixo da TE
 T maiores: difusão é mais rápida
 Perlita é grosseira.
 Ttransf bem abaixo da TE
 T menores: difusão é mais lenta
 Perlita fina
• Baixo DT:
- Maiores DT:
Colônias são
mais largas
Colônias são
menores
Morfologia da Perlita
• Observações experimentais:
Microestrutura da perlita em função da isoterma mantida: (a) 655ºC,
(b) 600ºC, (c) 534ºC e (d) 487ºC. A morfologia da estrutura de 2 fases é a
mesma, mas o espaçamento entre elas diminui com o decréscimo da
temperatura da isoterma.
Diagrama de Transformação Isotérmica para Composição
Não Eutetóide
Em um sistema de Fe-C, para
uma liga com 1,13%p C, uma
cementita proeutetóide irá se
formar
primeiro, como
mostrado na figura ao lado.
Fim da formação da perlita
Formação de
cementita
proeutetóide
Fim da formação de cementita
proeutetóide e início da formação da
perlita
Bainita
• Bainita:
 ripas de fe-a (tiras), separadas por partículas de Fe3C;
 forma-se entre 200 e 540ºC:
 bainita superior: entre 300 e 540ºC
 bainita inferior: entre 200 e 300ºC
 tanto a superior quanto a inferior são formadas por ferrita, cementita e
martensita, modificando-se apenas seu arranjo na estrutura.
Bainita
Outros Produtos do Sistema Fe-C
• Cementita Globulizada:
 Matriz de Fe-a com Fe3C em forma
esférica;
 obtida pelo aquecimento da bainita ou
perlita até uma temperatura próxima da
temperatura eutetóide por longo intervalo
de tempo;
 redução da área interfacial (força motriz).
Fe-a
Partícula de
cementita
Outros Produtos do Sistema Fe-C
• Martensita:
 Fe- g (CFC) para Martensita (TCC);
 Transformação ocorre apenas com o resfriamento rápido do Fe-g;
 % de transformação depente da temperatura apenas.
Sítio do átomo
de C
Esquema da estrutura TCC
formada na transformação da
martensita.
Martensita
A = Austenita
P = Perlita
M = Martensita
B = Bainita
Formação da martensita é
controlada pela temperatura
e independe do tempo
Rota Tempo x Temperatura x Microestrutura
A = Austenita
P = Perlita
M = Martensita
B = Bainita
A = 100% bainita
B=
100% martensita
C=
50% P + 50% B
Influência de Outros Elementos de Liga
joelho da
bainita
Tempo mais
longo para o
cotovelo A-P
Diagramas de Transformação por Resfriamento Contínuo
Transf. Resf. Contínuo
Transf. isotérmica
Taxa de resf. alta
Taxa de resf. moderada
Taxa de resf. baixa
Para o resfriamento contínuo
a curva TTT se desloca para
baixo
(temperaturas
menores) e para a direita
(tempos
maiores)
no
diagrama.
Taxas de Resfriamento Críticas
Curvas de resfriamento para
a formação de 100% de
martensita ou de
perlita.
TRC = Taxa de Resfriamento Crítico
Influência de Outros Elementos de Liga
 Elementos de liga como o Ni,
Cr, W e Si deslocam o joelho A-P
para tempos mais longos, logo
pode-se obter martensita para
taxas de resfriamentos mais
lentas;
 A formação
possível;
de
bainita
é
 Para aços com menos de
0,25%p
C,
a
taxa
de
resfriamento para a obtenção de
100% de martensita é muito alta
para ser praticada.
Energia de impacto Izod (ft.lb)
Limite de escoamento e limite de resistência à tração
Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C
A cementita é muito mais duro e, portanto, mais frágil que a ferrita. Então, quando
maior o teor de cementita no aço, maior será sua dureza e resistência e menor sua
ductilidade e tenacidade (energia de impacto).
Ductilidade (%RA)
Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C
Para uma dada composição, as
propriedades
mecânicas
mudam com a microestrutura.
A cementita globulizada possui
a maior ductilidade e a menor
dureza.
%p Fe3C
Cementita
globulizada
Perlita grossa
Índice de dureza Brinell
%p Fe3C
Perlita fina
Perlita fina
%p C
Perlita grossa
Cementita
globulizada
%p C
Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C
Limite de resistência à tração (MPa)
Índice de dureza Brinell
A bainita é mais resistente e dura que a perlita
 Sua
alta
dureza
está
relacionado a capacidade dos
átomos intersticiais de carbono
de restringir o movimento das
discordâncias, bem como ao
número relativamente pequeno
de sistemas de escorregamento
para a estrutura TCC.
Dureza Rockwell C
 A martensita é a mais dura,
mais resistente e mais frágil
dentre
as
microestruturas
possíveis em uma liga de FeC;
Índice de dureza Brinell
Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C
Comportamento Mecânico de Ligas Fe-C
 A martensita é muito dura
para determinadas aplicações;
 A ductilidade e a tenacidade
da martensita podem melhorar
com a apliação de um
tratamento térmico de alívio de
tensões (revenimento);
 Revenimento: aquecimento
de um aço temperado até 250650ºC para deixar a difusão
ocorrer e formar a martensita
revenida conforme a equação:
Mart. (TCC) -> Mart. rev. (Fea+Fe3C)
A microestrutura da martensita
revenida é similar a da
cementita globulizada, mas
possui partículas de Fe3C
menores, o que acarreta em
dureza e resistência maiores.
Resumo
Temperatura eutetóide
Austenita
Cementita globulizada
Perlita
Martensita
Revenida
Bainita
Aquecimento
Martensita
Têmpera
Temperatura ambiente
Austenita, perlita, bainita e martensita podem co-existir