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DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 1 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA II DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA • Um aço resfriado muito lentamente a partir do campo austenítico apresentará à temperatura ambiente, uma ou mais das fases ferrita, perlita e cementita, dependendo de seu teor de carbono • Se o resfriamento for muito rápido (resfriando em água p. ex.), aparecerão outros constituintes metaestáveis, como a bainita e a martensita, que não são previstos no diagrama ferro-cementita • A transformação da austenita em outro constituinte pode ocorrer por difusão, cisalhamento ou uma mistura dos dois mecanismos Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Mecanismos operantes na decomposição da austenita O processo de difusão é lento, envolvendo a movimentação e rearranjo dos átomos para formar uma nova fase O processo de cisalhamento é praticamente instântaneo, e envolve apenas a deformação da rede cristalina Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 2 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Ferrita A ferrita forma-se por difusão e seu aspecto varia com a taxa de resfriamento, passando da forma equiaxial (poligonal, massiva ou em blocos) em resfriamento lento para a forma de agulhas em resfriamentos mais severos, conhecida como Ferrita Acicular. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. 12ºC/min 200ºC/min Aço 0,25 C – 1,15 Mn – 0,04 Nb austenitizado a 1300ºC e resfriado a 12 e a 200ºC/min. Ampliação de 250X. Nital Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Com o resfriamento lento os grãos ferríticos nucleiam preferencialmente no contorno de grão austenítico, ou ainda no interior do grão,inclusive sobre inclusões. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. O aumento na taxa de resfriamento produz também a ferrita na forma de ripa ou placa alongada, nucleada no contorno e no interior do grão austenítico, a qual recebe o nome de ferrita de Widmanstätten. Diferentes morfologias da Ferrita Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 100x 1.000x Resfriamento a 10ºC/min. Ferrita equiaxial no contorno de grão e no interior do grão nucleada sobre inclusão Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Diferentes morfologias da Ferrita Aço 0,40 C- 0,94 Mn – 0,03 Nb austenitizado a 1300ºC DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 3 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 100x 1.000x Resfriamento a 50ºC/min. Ferrita equiaxial no contorno de grão e ferrita de Widmanstätten nucleada no contorno e no interior do grão austenítico Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Diferentes morfologias da Ferrita Aço 0,40 C- 0,94 Mn – 0,03 Nb austenitizado a 1300ºC Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 100x 1.000x Resfriamento a 100ºC/min. Ferrita equiaxial no contorno de grão e ferrita de Widmanstätten nucleada no contorno e no interior do grão austenítico Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Diferentes morfologias da Ferrita Aço 0,40 C- 0,94 Mn – 0,03 Nb austenitizado a 1300ºC Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Diferentes morfologias da Ferrita Aço 0,8 C – 1,0 Mn – 0,03 Nb austenitizado a 1350ºC e parcialmente transformado a 600ºC por 2 min. Cementita (filete branco) nucleada no antigo contorno de grão austenítico) e colônias de perlita (regiões escuras). A cementita neste caso é considerada como alotriomorfo de contorno de grão.600X. NitalAços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 4 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Diferentes morfologias da Ferrita O alotriomorfo de ferrita (α) nucleia no grão de austenita γ1, com o qual mantém uma relação definida de orientação, e cresce em direção a γ2, em que sua orientação cristalina é aleatória. A ferrita alotriomorfa nucleia em um grão de austenita [γ1], apresentando uma relação de orientação: {111}γ1 ∕ ∕ {110}α <110>γ1 ∕ ∕ <111>α Em seguida, cresce em direção a γ2, com o qual não mantém nenhuma relação de orientação Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Diferentes morfologias da Ferrita À medida que a velocidade de resfriamento aumenta, a interface α ∕ γ amplia o seu grau de incoerência formando a estrutura de Widemanstätten Relações de crescimento entre a matriz e a nova fase: γ = energia interfacial δ = (ap – am/am) = interferência Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Diferentes morfologias da Ferrita • A formação da ferrita é um processo difusional, na qual ocorrem a nucleação e o crescimento. O crescimento obedece a lei de Zener, logo: D= α.√t Em que: D = espessura do alotriomorfo ferrítico α = constante de proporcionalidade t = tempo DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 5 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Crescimento da partícula de ferrita em função do tempo, para tratamento isotérmico a 750ºC (t0 = tempo de incubação) Crescimento da partícula de ferrita Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA Variação do coeficiente α com a temperatura de formação da ferrita. Determinação do coeficiente α Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Curva pontilhada: determinada a partir do modelo de Zener. Curva hachurada: resultados experimentais de Aaronson. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. • Se uma liga de composição Fe-0,77 C que está a uma temperatura maior que 727ºC, for resfriada lentamente, produzirá o surgimento de uma reação eutetóide, gerando uma microestrutura denominada perlita. • A perlita não é uma fase, e sim uma mistura de duas fases, ferrita e cementita, que ocorrem sob a forma de lamelas paralelas. • O carbono que é rejeitado pela formação da ferrita, dá origem à cementita, que é uma fase rica em carbono, de composição Fe3C. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 6 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. a) Esquema de formação das colônias: 1 – núcleo inicial da cementita 2 – nucleação das lamelas deferrita ao lado da cementita 3 – crescimento lateral e para a frente da colônia 4 – novo núcleo de cementita formado com orientação diferente dos anteriores 5 – crescimento da nova colônia Nucleação e crescimento da perlita (Mehl) Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Nucleação e crescimento da perlita (Mehl) b) Perfil de concentração de C na austenita na vizinhança de lamelas de cementita e ferrita, o que favorece o aparecimento de lamelas alternadas das duas fases Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. A cementita irá se relacionar cristalograficamente com γ1 (Pitsch), com desvios menores que 5º. Diagrama esquemático da formação de uma colônia de perlita nucleada a partir de um contorno de grão austenítico (γ1) e crescendo em direção a um outro grão austenítico A ferrita da perlita não apresenta nenhuma relação de orientação com o grão austenítico (γ2), no qual ela está crescendo. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 7 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Aço 0,20 C totalmente transformado após austenitização a 900ºC e resfriado ao ar. 430X. Nital. Núcleo de Perlita obtido no interior do grão austenítico pela transformação de um Aço 0,8 C – 1Mn – 0,03 Nb a 650ºC . 5.000X. Nital. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. V = velocidade de avanço da interface perlita/γ C0= concentração do carbono na austenita, em uma região distante da interface perlita/γ C2= concentração do carbono na austenita da interface perlita/γ C1= concentração do carbono na ferrita ou cementita na interface perlita/γ D= coeficiente de difusão do carbono α= fator de proporcionalidade S0= espaçamento interlamelar (soma da largura de uma lamela de ferrita e uma de cementita) O crescimento isotérmico da perlita, com equilíbrio local e difusão de carbono pela austenita é expresso por: (Zener) Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Modelo de Zener para o perfil da concentração de carbono na ferrita e na cementita durante o crescimento da perlita. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 8 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. = energia interfacial entre a austenita e a perlita TE = temperatura eutetóide ΔT = super-resfriamento (TE – T), em que T é a temperatura da reação ΔHv= variação da entalpia, por unidade de volume, da transformação austenita- perlita S0 = espaçamento interlamelar O espaçamento interlamelar é calculado por: (Zener) Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Espaçamento interlamelar em função da temperatura de transformação de aços 0,8 C, com e sem adição de nióbio. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA PERLITA Nódulos de perlita com diferentes inclinações em relação à superfície de medida. Aço 0,8 C – 1 Mn transformado isotermicamente a 670ºC por 10 minutos. Imagem invertida (região clara=cementita; região escura = ferrita). Nital Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 9 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA CURVAS ITT A formação da ferrita e da perlita são processos difusionais, nos quais ocorrem nucleação e crescimento. Ao resfriar um aço eutetóide desde 1000ºC até T1, abaixo de 727ºC haverá a formação de perlita. Haverá um tempo para os átomos se rearranjarem e formarem os primeiros núcleos de perlita (região a). Os núcleos crescem e a austenita vai se transformando em perlita rapidamente (região b). No final os nódulos de perlita tocam-se e isso faz com que a transformação ocorra mais lentamente na parte final (região c). Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA CURVAS ITT Utilizando outra amostra do mesmo aço e decompondo a austenita em outra temperatura T2 abaixo de 727ºC, haverá uma nova curva de fração volumétrica transformada versus tempo. Idem para T3. Unindo-se os tempos de início de transformação para as várias temperaturas teremos uma curva em “C” de início de formação da perlita. O mesmo ocorre quando se unem os tempos de fim de transformação. A curva obtida é chamada ITT (Isothermal Time Transformation) ou seja Transformação Isotérmica. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA CURVAS ITT Representação esquemática da curva ITT de um aço eutetóide (C≈ 0,8%) Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. No diagrama completo observam-se constituintes não previstos pelo diagrama de fases Fe-Fe3C, que são a bainita e a martensita DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 10 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA BAINITA Representação esquemática da formação da bainita superior e inferior Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Quando um aço carbono é resfriado rapidamente para temperaturas abaixo do nariz da curva ITT ocorre a formação de bainita. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA BAINITA Representação esquemática da cinética de formação da estrutura bainítica. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA BAINITA Agulhas de bainita em contorno do antigo grão austenítico de aço 0,40 C – 1,0 Mn – 00,3 Nb transformado parcialmente. 50X. Nital. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 11 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA BAINITA Bainita nucleada no contorno do antigo grão austenítico de aço 0,80 C – 1,0 Mn – 00,3 Nb transformado isotermicamente a 550ºC. 2.000X. MEV. Nital. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA BAINITA As curvas ITT para perlita e bainita tendem a separar-se à medida que vão sendo adicionados elementos de liga nos aços. Aços e Ligas Especiais – Costae Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA FERRITA ACICULAR Ilustração esquemática da bainita e da ferrita acicular. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. A ferrita acicular e a bainita possuem os mesmos mecanismos de formação. A ferrita acicular nucleia em inclusões não metálicas e cresce radialmente em forma de agulhas. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 12 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA FERRITA ACICULAR Ferrita acicular em aço 0,18 C – 1,0 Mn – 0,03 Nb resfriado rapidamente. 80X. Nital. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. As agulhas de ferrita acicular apresentam 1μm de largura x 10μm de comprimento. A remoção de inclusões em um aço com ferrita acicular causa a mudança de estrutura para bainítica. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA FERRITA ACICULAR Efeito do aumento do teor de titânio na região de solda. Aços e Ligas Especiais – Costa e Silva, André.L.; Mei, Paulo R. Qualquer método que favoreça a nucleação intergranular faz com que a estrutura mude de binítica para ferrítica acicular. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA • A martensita é uma fase metaestável que aparece com o resfriamento brusco da austenita, como por exemplo, resfriando-se uma amostra austenitizada em água. • A transformação ocorre por cisalhamento da estrutura, sem difusão. • O termo “transformação martensítica” é aplicado às reações no estado sólido que ocorrem por cisalhamento sem mudança na composição química (difusão) e aparecem em vários sistemas, sendo o mais conhecido o ferro-carbono. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 13 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Aspectos termodinâmicos da formação da martensita TM1 = temperatura de início de formação martensítica TMF = temperatura de fim da formação martensítica TMIR = temperatura de início da formação martensítica, usando deformação plástica para auxiliar Gγ = energia livre da austenita Gm = energia livre da martensita Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Efeito do teor de carbono nas temperaturas de início (MI) e fim (MF) da transformação da austenita em martensita Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA A martensita é uma solução sólida supersaturada de carbono em ferro tetragonal de corpo centrado (TCC), uma forma distorcida do ferro cúbico de corpo centrado (CCC) austenita ferrita martensita Representação das diferentes estruturas, com um átomo de carbono expandindo a estrutura CFC uniformemente; na estrutura TCC a expansão é maior no eixo vertical DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 14 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Efeito do teor de carbono nos parâmetros de rede da austenita e da martensita Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. A tetragonalidade medida pela reação entre os eixos c/a, aumenta com o teor de carbono c/a = 1 + 0,045% C (em peso) Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Variação do parâmetro c/a para martensita (TCC) em função da quantidade de carbono. Para 0%C, a estrutura teria c/a=1, ou seja seria CCC (ferrita). Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. A tetragonalidade medida pela reação entre os eixos c/a, aumenta com o teor de carbono. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Aço 0,2 C – 1 Mn – 0,03 Nb temperado em água. Ripas de martensita. Vilela. 250X. Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 15 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Aço 1095 temperado em água. Agulhas de martensita em matriz de austenita retida. Nital. 400X. Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Temperatura de início de formação da martensita e morfologia da mesma em função do teor de carbono. Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Diagrama esquemático de uma das orientações cristalográficas da agulha de martensita. Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 16 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Variação do plano de hábito e da relação de orientação martensita/austenita com o teor de carbono do aço. Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Formação da martensita a partir da austenita. Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. a) Estrutura TCC desenhada a partir da austenita CFC. b) Deformação que a célula TCC da figura (a) deveria ter para formar uma célula TCC de martensita (compressão de 17% no eixo c, e a expansão de 12% no eixo a. Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. Variação da dureza martensítica em função do teor de carbono dos aços. DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA 17 Universidade Santa Cecília – Santos / SP Universidade Santa Cecília – Santos / SP DECOMPOSIÇÃO DA AUSTENITA MARTENSITA Aços e Ligas Especiais - Costa e Silva, André L.; Mei, Paulo R. Austenita retida em função do teor de carbono de aços resfriados rapidamente.
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