Capítulo 10 Transformações de Fases Desenvolvimento da Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas

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Transformações de Fases: Desenvolvimento da
Microestrutura e Alteração das Propriedades Mecânicas
Disciplina: ciências dos Materiais
Docente: Prof. Dr. DOUGLAS COSTA SANTOS
Discentes: 
Ariane Cruz
Ernando Suzarte
Isis Carvalho
Jade Luan
Rebeca rozeno
Rennan Gledson
Transformações de Fases
Transformações de fases ocorrem
ao cruzar fronteiras no diagrama
de fases.
Influenciadas por variações de
temperatura e/ou pressão
POR QUE ESTUDAR Transformações de Fases?
Controle de Processos 
Desenvolvimento de Novos Materiais
Compreensão das Mudanças de Estado da Matéria
Projeto de Equipamentos
Economia de Energia
Segurança e Conformidade
Tipos de transformação de fase 
Transformações Simples (Não envolve mudanças na quantidade e composições das fases): Essas
transformações são dependentes da difusão e não envolvem alterações na quantidade de fases ou
em suas composições. Exemplos incluem:
Solidificação de um metal puro, Transformações alotrópicas, Recristalização, Crescimento dos
grãos.
Transformações com Mudança nas Composições e no Número de Fases (Dependem da difusão): Nesse
tipo de transformação, a difusão desempenha um papel importante, resultando em mudanças nas
composições e, muitas vezes, no número de fases presentes. Um exemplo é uma ocorrência eutetóide,
que leva à formação de duas fases distintas e será abordada em detalhes.
Transformações sem Difusão (Geração de Fase Metastável): Nesse caso, as transformações ocorrem
sem a difusão de átomos ou íons. Um exemplo notável é a transformação martensítica, que pode ser
causada em alguns aços. Nesse processo, uma fase metaestável é gerada, resultando em mudanças
significativas na microestrutura do material.
A CINÉTICA DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES
Nas transformações de fases, novas fases com características diferentes da fase original são
formadas. Essas transformações não ocorrem imediatamente, mas sim em dois estágios:
nucleação e crescimento.
Nucleação: Neste estágio, pequenas partículas da nova fase (núcleos) surgem. Esses núcleos são muito pequenos,
frequentemente consistindo em apenas algumas centenas de átomos. Pode ser dívida em nucleação homogenia e
heterogênea.
Crescimento: Durante o estágio de crescimento, esses núcleos aumentam em tamanho, levando à diminuição
da fase original. O processo continua até que uma fração em equilíbrio seja alcançada.
Nucleação homogênia
Raio crítico
 modelagem Matemática 
Equação 1
Derivando a equção 1 para
o encontrar raio crítico
Equação 3
Equação 2
Substituindo a Equação 3 na
equação 2 temos 
Equação 4
Substituindo a Equação 4 equação 3
na equação 1 temos :
Taxa de nucleação 
Número de núcleos estáveis n*
FREQUÊNCIA COM QUE OS ÁTAMOS DO
LIQUIDO SE LIGAM AO NÚCLEO SOLIDO, VD
TAXA DE NÚCLEAÇÃO N
Nucleação 
Heterogênea
Nucleação Heterogênea
1. Definição:
 - Nucleação heterogênea é um fenômeno comum em processos naturais e industriais.
 - Envolve a formação de novas fases ou partículas sólidas em um material.
2. Local de Início:
 - Nucleação ocorre preferencialmente em superfícies ou interfaces preexistentes do material.
 - Ao contrário da nucleação homogênea, que ocorre no interior do material.
3. Importância:
 - Fundamental para entender processos como transformação de fase, cristalização e
crescimento de grãos em sólidos.
Mecanismo da Nucleação Heterogênea
1. Superfícies de Nucleação:
 - Superfícies preexistentes, como impurezas, defeitos em cristais ou até mesmo a superfície de um recipiente,
são fundamentais.
 - Elas servem como locais favoráveis para o início da formação de núcleos da nova fase.
2. Redução da Energia de Superfície (γ):
 - A presença dessas superfícies reduz a energia livre de superfície (y) na equação de nucleação.
 - Isso diminui a barreira de energia para a nucleação, facilitando o processo.
3. Facilitação da Nucleação:
 - Em termos simples, a existência dessas superfícies torna a nucleação mais provável e eficiente.
usando um procedimento envolvido e semelhante àquele apresentado anteriormente para a nucleação homogênea é possível obter
equações para r* e ΔG*, que são as seguintes:
O termo S(θ) nessa última equação é uma função
apenas de θ (isto é, da forma do núcleo) e terá
valor numérico entre zero e a unidade.
é evidente que a barreira da energia de ativação para a nucleação
heterogênea é menor que a barreira para a nucleação homogênea
por uma quantidade correspondente ao valor dessa função S(θ):
Gráfico esquemático para a energia livre em função
do raio do embrião/núcleo. São apresentadas curvas
tanto para a nucleação homogênea quanto para a
nucleação heterogênea.
Taxa de nucleação em função da temperatura
tanto para a nucleação homogênea quanto para a
nucleação heterogênea. Também são mostrados os
graus de super-resfriamento (ΔT) para cada curva.
Nos casos de alta molhabilidade entre o substrato e o
metal, um fator de carater cristalografico irá intervir
positivamente no aumento da eficiencia, ou potencia, da
nucleação heterogenea. Trata-se do índice de epitaxia.
as = espaçamento da rede cristalina do substrato;
am = espaçamento da rede cristalina do metal (núcleo);
Considerações Cinéticas
sobre 
as Transformações no
Estado Sólido
CINÉTICAS DE TRANSFORMAÇÕES DE ESTADO SÓLIDO
Para transformações de estado sólido exibindo o comportamento cinético, a fração de transformação Y é uma
função do tempo t da seguinte forma:
 Essa expressão costuma ser chamada de equação de Avrami
A taxa de uma transformação é tomada como o recíproco do tempo necessário para que a transformação prossiga
na metade do caminho para a conclusa.
crescimento
O crescimento das partículas ocorre por difusão atômica de longo alcance;
A taxa de transformação e o tempo necessário para que a transformação prossiga até algum grau de conclusão são
inversamente proporcionais um ao outro;
O tamanho das partículas da fase do produto depende da temepratura de transformação;
Gráfico esquemático mostrando
as curvas para a taxa de
nucleação (N), a taxa de
crescimento (G) e a taxa de
transformação global em
função da temperatura.
ESTADOS METASTÁVEIS 
X 
ESTADOS DE EQUILÍBRIO
as transformações de fase podem ser realizadas mediante uma variação:
na temperatura;
na composição;
na pressão externa
sendo mais utilizadas as variações na temperatura, através dos tratamentos térmicos
durante uma transformação de fase, uma liga tende a atingir um estado de equilíbrio
(representado pelo diagrama de fases).
a velocidade, ou a taxa, da transformação é um indicador importante na relação entre o
tratamento térmico e o desenvolvimento da microestrutura.
na prática, as transformações em geral não ocorrem em condições de equilíbrio e no
intermédio entre a fase inicial e a fase de equilíbrio, se formam as microestruturas
metaestáveis. 
basicamente, são formadas em cenários de super-resfriamento, ou seja, quando as
transformações de fase são deslocadas para temperaturas mais baixas do que as
indicadas no diagrama de fases.
alterações
microestruturais e das
propriedades em ligas
ferro-carbono
as principais alterações ocorrem de forma isotérmica (onde a temperatura é mantida
constante até que a transformação se complete) ou por resfriamento contínuo.
durante a transformação isotérmica, a taxa de resfriamento desempenha um papel crítico
a formação de microestruturas:
 taxa de resfriamento lenta: o material tem tempo suficiente para ajustar sua
microestrutura, o que resulta numa estrutura mais homogênea.
taxa de resfriamento rápida: não se tem tempo suficiente para atingir o equilíbrio e
pode resultar na formação das estruturas metaestáveis
exemplos de microestruturas metaestáveis
 a mais comum e é formada em taxas de resfriamento geralmente mais lentas
é o produto do resfriamento da austenita que é transformada em ferrita (com baixo
teor de carbono) e cementita (alto teor de carbono)
possui boa resistência mecânica e é comumente utilizada em engrenagens e vigas
perlita
exemplos de microestruturasmetaestáveis
perlita
exemplos de microestruturas metaestáveis
 se forma em velocidades moderadas de resfriamento e oferece uma combinação de
resistência e tenacidade
bainita
A bainita se forma como agulhas ou placas, dependendo da temperatura da
transformação
Apresenta 2 tipos de estrutura: 
a bainita superior de aspecto arborescente formada a 500 – 580°C, composta por uma
matriz ferrítica contendo carbonetos
bainita inferior, formada a 250 – 400 °C, tem um aspecto similar a martensita
exemplos de microestruturas metaestáveis
bainita
exemplos de microestruturas metaestáveis
se forma num resfriamento brusco e muito rápido, possui alta dureza e é usada em
aços temperados.
martensita
é uma estrutura monofásica fora do equilíbrio que resulta de uma transformação da
austenita em que não há difusão
Uma vez que a transformação martensítica não envolve difusão, ela ocorre quase
instantaneamente; a martensita nucleia e cresce a uma taxa muito rápida
exemplos de microestruturas metaestáveis
martensita
 a região branca é a austenita que não se
transformou durante o resfriamento brusco. 
diagramas de
transformações
isotérmicas
para condições fora do equilíbrio, foram desenvolvidos novos
diagramas que além expressar graficamente a relação entre
temperatura, tempo e as fases, auxiliam também:
na determinação das taxas de resfriamento necessárias;
no controle da microestrutura;
na seleção de materiais. importante destacar que o ajuste da
taxa de resfriamento possibilita
controlar as propriedades dos materiais,
adequando para aplicações específicas
as transformações perlítica
e bainítica são concorrentes
entre si, e uma vez que uma
dada porção de uma liga
tenha se transformado em
perlita ou bainita,
a transformação no outro
microconstituinte não será
possível sem um
reaquecimento para formar
austenita.
estrutura dureza resistência tenacidade
perlita
bainita
martensita
média boa média
boa
alta alta baixa
altaboa
DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES 
POR RESFRIAMENTO CONTÍNUO
DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES POR RESFRIAMENTO CONTÍNUO
Os tratamentos isotérmicos, que envolvem manter uma liga metálica a uma
temperatura constante, não são práticos porque exigem um resfriamento rápido
da liga a partir de uma temperatura alta (acima da temperatura eutetoide) e a
manutenção dessa alta temperatura. 
Na maioria dos casos, os tratamentos térmicos em ligas metálicas, como aços,
envolvem o resfriamento contínuo da amostra até a temperatura ambiente
Diagramas de tratamentos isotérmicos tratamentos por resfriamento contínuo
Superposição dos diagramas de transformação isotérmica
e de resfriamento contí nuo para uma liga ferro-carbono
com composição eutetoide
a = austenita p = perlita
B = bainita m = martensita
De acordo com o comportamento da curva de resfriamento,
existe a variação de resultados, por exemplo:
A austenita com temperatura > 550ºC, sendo de um
resfriamento contínuo, pode produzir perlita ou
bainita
a martensita só vai ser produzira diretamente da
austenita, mesmo que a austenita já tenha produzido 
uma Fração de P ou b
A
P
B
m
A
Curvas de resfriamento moderadamente rápido e lento
superpostas em um diagrama de transformação por
resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com
composição eutetoide
A transformação começa após um intervalo de tempo
correspondente à interseção da curva de
resfriamento com a curva de início da reação, e
termina ao cruzar a curva para o término da
transformação...
Curvas de resfriamento moderadamente rápido e lento
superpostas em um diagrama de transformação por
resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com
composição eutetoide
A transformação começa após um intervalo de tempo
correspondente à interseção da curva de
resfriamento com a curva de início da reação, e
termina ao cruzar a curva para o término da
transformação
Curvas de resfriamento moderadamente rápido e lento
superpostas em um diagrama de transformação por
resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com
composição eutetoide
A transformação começa após um intervalo de tempo
correspondente à interseção da curva de
resfriamento com a curva de início da reação, e
termina ao cruzar a curva para o término da
transformação
Curvas de resfriamento moderadamente rápido e lento
superpostas em um diagrama de transformação por
resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com
composição eutetoide
A transformação começa após um intervalo de tempo
correspondente à interseção da curva de
resfriamento com a curva de início da reação, e
termina ao cruzar a curva para o término da
transformação
Os produtos microestruturais para as curvas
equivalentes às taxas de resfriamento moderadamente
rápido e lento na Figura são a perlita fina e a perlita
grossa, respectivamente.
Curvas de resfriamento moderadamente rápido e lento
superpostas em um diagrama de transformação por
resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com
composição eutetóide
A transformação começa após um intervalo de tempo
correspondente à interseção da curva de
resfriamento com a curva de início da reação, e
termina ao cruzar a curva para o término da
transformação
Os produtos microestruturais para as curvas
equivalentes às taxas de resfriamento moderadamente
rápido e lento na Figura são a perlita fina e a perlita
grossa, respectivamente.
Normalmente, a bainita não irá se formar quando uma
liga com composição eutetóide ou, na prática, qualquer
aço-carbono comum for resfriado continuamente até a
temperatura ambiente. Por motivo que toda a
austenita já terá se transformado em perlita quando
transformação bainítica for possível.
composição
eutetóide
Reação
completa
Curvas de resfriamento moderada mente rápido e lento
superpostas em um diagrama de transformação por
resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com
composição eutetóide
A transformação começa após um intervalo de tempo
correspondente à interseção da curva de
resfriamento com a curva de início da reação, e
termina ao cruzar a curva para o término da
transformação
Os produtos microestruturais para as curvas
equivalentes às taxas de resfriamento moderadamente
rápido e lento na Figura são a perlita fina e a perlita
grossa, respectivamente.
Normalmente, a bainita não irá se formar quando uma
liga com composição eutetóide ou, na prática, qualquer
aço-carbono comum for resfriado continuamente até a
temperatura ambiente. Por motivo que toda a
austenita já terá se transformado em perlita quando
transformação bainítica for possível.
composição
eutetóide
Reação
completa
mas E se a curva de resfriamento
passasse nesta região?...
Curvas de resfriamento moderada mente rápido e lento
superpostas em um diagrama de transformação por
resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com
composição eutetóide
Em relação a bainita, quando o resfriamento é
contínuo, não há formação da mesma por conta da
lentidão do resfriamento, o que permite a difusão dos
átomos e a completa estruturação da perlita.
em relação à representação da transformação
martensítica, as linhas M(início), M(50%) e M(90%)
ocorrem em temperaturas idênticas tanto no diagrama
de transformação isotérmica quanto no de
transformação por resfriamento contínuo. 
Diagrama de transformação por resfriamento contínuo para uma liga ferro-carbono com composição eutetoide e superposição das curvas de
resfriamento, demonstrando a dependência da microestrutura final em relação às transformações que ocorrem durante o resfriamento.
O carbono e outros elementos de liga também deslocam o nariz da curva da perlita e da bainita para tempos mais longos,
diminuindo, dessa forma, a taxa de resfriamento crítica.
as Várias curvas de resfriamento superpostas, indicam a taxa de resfriamento crítica, e também como o comportamento da
transformação e a microestrutura final são influenciados pela taxa de resfriamento.
COMPORTAMENTO MECÂNICO
DE LIGAS FERRO-CARBONO
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE LIGAS FERRO-CARBONO
é válido agora examinaro comportamento mecânico das ligas ferro-carbono com as
microestruturas discutidas até o momento:
 
perlita fina e grossa
esferoidita
bainita
martensita
# Para todas as microestruturas, à exceção da martensita, duas fases estão
presentes (ferrita e cementita); o que deixa a oportunidade para explorar as várias
relações entre as propriedades mecânicas e as microestruturas que existem para
essas ligas.
A cementita é uma fase metálica muito mais dura, porém frágil, em comparação com a
ferrita. Então um aumento na quantidade de cementita em um aço, mantendo
constantes outros elementos microestruturais, vai resultar em um material mais
duro e resistente. 
Isso é ilustrado na Figura “A” seguinte, onde os limites de resistência à tração, de
escoamento e os números de dureza Brinell são plotados em relação à porcentagem
de carbono em aços contendo perlita fina. 
Todos esses parâmetros aumentam com o aumento da concentração de carbono.
Perlita
devido à fragilidade da cementita, um aumento em sua quantidade também resultará
em uma diminuição na ductilidade e na tenacidade do material (ou seja, sua capacidade
de deformação e resistência ao impacto), como mostrado na Figura “B” seguinte para
os mesmos aços com perlita fina.
Além disso, a espessura da camada de cada fase, ferrita e cementita na
microestrutura, também afeta o comportamento mecânico do material. 
Perlita fina, que possui camadas mais finas dessas fases, é mais dura e resistente do
que perlita grossa, como demonstrado nas curvas superiores da Figura “a”, onde a
dureza é plotada em relação à concentração de carbono
Perlita
a quantidade de cementita e a espessura das camadas das fases na microestrutura
de uma liga metálica têm um impacto significativo nas propriedades mecânicas do
material, influenciando sua dureza, resistência, ductilidade e tenacidade. 
Essas relações são fundamentais para projetar ligas com propriedades específicas
para aplicações diversas
Perlita - Resumo
Outros elementos da microestrutura estão relacionados com a forma e a distribuição
das fases. 
A fase cementita assume diferentes formas e arranjos nas microestruturas de
perlita e esferoidita. 
Ligas com microestruturas perlíticas tendem a ter maior resistência e dureza em
comparação com aquelas com esferoidita. o que é ilustrado na Figura a(2), que
compara a dureza em relação à porcentagem de carbono em ligas com ambas as
estruturas perlíticas.
esferoidita
Isso ocorre devido ao efeito da cementita em reforçar e restringir o movimento de
discordâncias nas interfaces entre as fases.
 A esferoidita, com menos área de interface, permite maior deformação plástica,
tornando-a mais dúctil. 
Portanto, a microestrutura desempenha um papel crítico nas propriedades mecânicas
dos materiais, influenciando sua resistência, dureza, ductilidade e tenacidade.
esferoidita
O processo de formação da bainita em aços resulta em uma estrutura mais fina, com
partículas menores de ferrita α e de cementita, em comparação com os aços
perlíticos.
 Isso confere aos aços bainíticos uma maior resistência e dureza. No entanto, eles
também mantêm uma combinação desejável de resistência e ductilidade. 
As Figuras a seguir ilustram como a temperatura de transformação afeta o limite de
resistência à tração e a dureza em uma liga ferro-carbono com composição eutetoide. 
Bainita
As faixas de temperatura nas quais a perlita e a bainita se formam, conforme
indicado no diagrama de transformação isotérmica para essa liga estão destacadas
nas figuras. 
Em resumo, a bainita é uma microestrutura que oferece uma boa combinação de
resistência e ductilidade, com partículas mais finas do que a perlita, tornando-a uma
escolha valiosa para aplicações em que essas propriedades são necessárias.
Bainita
A martensita é uma das microestruturas mais duras e resistentes em aços, mas
também é extremamente frágil, com pouca ou nenhuma ductilidade.
 Sua dureza depende do teor de carbono na liga, até cerca de 0,6% em peso.
 Diferentemente dos aços perlíticos, a resistência e a dureza da martensita não
estão ligadas à sua microestrutura, mas sim à capacidade do carbono intersticial de
restringir o movimento das discordâncias e ao número limitado de sistemas de
escorregamento em sua estrutura cristalina.
martensita 
 Durante a transformação da austenita em
martensita (processo de têmpera), ocorre
um aumento de volume, o que pode levar a
trincas, especialmente em peças maiores e
com teor de carbono superior a cerca de
0,5% em peso. Portanto, o controle preciso
da formação de martensita é necessário
para evitar problemas de trinca em peças
grandes.
martensita 
Martensita Revenida
Características:
Muito dura e frágil.
Suscetibilidade a enfraquecimento quando tensionada.
Revenimento:
Aumento de ductilidade e tenacidade.
Processo: Aquecimento a temperaturas de 250-650°C
MARTENSITA 
Definição: Aquecimento do aço martensítico abaixo da
temperatura eutetóide NORMALMENTE POR TEMERATURAS DE
250°C ATE 650ºC.
Finalidade: Formação de martensita revenida com fases
estáveis (ferrita e cementita).
Processo de Revenimento
MARTENSITA (TCC, MONOFÁSICA) --> MARTENSITA REVENIDA (FASES + Fe³c) 
COMPOSIÇÃO:
CEMENTITA DISPERSA
UNIFORMEMENTE
MATRIZ DE FERRITA CONTINUA
Comparação com Esferoidita:
similar, mas partículas de
cementita menores
Propriedades:
Dureza e resistência comparáveis
à martensita.
Melhoria na ductilidade.
Características da Martensita Revenida
Figura 10.33 Micrografia eletrônica da martensita revenida. O
revenido foi realizado a 594°C (1100°F). As partículas pequenas
são a fase cementita; a fase matriz é a ferrita α. Ampliação de
93003. (Copyright 1971 pela United States Steel Corporation.)
Impacto da cementita no
comportamento da martensita revenida:
Tamanho da cementita:
Relação com ductilidade e
resistência.
Depende do tratamento térmico.
Fatores determinantes:
Difusão de carbono.
Temperatura e tempo de
tratamento.
Dureza versus Tempo.
Influência da temperatura e tempo
na estrutura.
Influência da Cementita
Figura 10.35 A dureza (a uma temperatura ambiente) em função do tempo de
revenido para um aço-carbono comum (1080) com composição eutetoide que foi
temperado em água. (Adaptada de Edgar C. Bain, Functions of the Alloying
Elements in Steel, American Society for Metals, 1939, p. 233.)
Figura 10.34 O limite de resistência à tração, o limite
de escoamento e a ductilidade (%RA) (à temperatura
ambiente) em função da temperatura de revenido para um
aço-liga (tipo 4340) temperado em óleo.
(Adaptada de Edgar C. Bain, Functions of the Alloying Elements
in Steel, 1939. Reproduzida com permissão de ASM International,
Materials Park, OH.)
Revenido de Alguns Aços
Risco de redução da tenacidade.
Fragilização por revenido:
Temperaturas e condições.
Aços suscetíveis.
Elementos de liga manganês, níquel ou cromo e
impurezas antimônio, fósforo, arsênio e estanho em
concentrações relativamente baixas.
Controle da composição.
Revenimento em temperaturas específicas.
Recomendações para aumentar a tenacidade.
Prevenção da Fragilização
REVISÃO DAS TRANSFORMAÇÕES DE FASES E DAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS PARA LIGAS FERRO-CARBONO
Figura 10.36 Transformações possíveis envolvendo a decomposição da
austenita. As setas contínuas representam transformações que
envolvem difusão; a seta tracejada representa uma transformação
em que não há difusão
Neste capítulo, exploramos as
microestruturas formadas em
ligas ferro-carbono mediante
tratamentos térmicos. A Figura
10.36 mostra as
transformações gerando estas
microestruturas. Perlita,
bainita e martensita surgem de
resfriamento contínuo, mas a
bainita se forma apenas em
aços-liga, não em aços-
carbono comuns.
MATERIAIS DE IMPORTÂNCIA
Definição
Capacidade de retorno ao formato original
Influência do tratamento térmico.
Composição e Tipos
Exemplos: Nitinol (níquel-titânio), ligas à base
de cobre.
Transformação entre fases: austenita (alta
temperatura) e martensita (resfriamento).
Figura 10.37 Diagrama ilustrandoo efeito da memória da forma. Os
destaques são representações esquemáticas das
estruturas cristalinas nos quatro estágios. Mi e Mf representam as
temperaturas nas quais a transformação martensítica
começa e termina, respectivamente. De maneira semelhante, para a
transformação da austenita, Ai e Af representam as
temperaturas de começo e término da transformação.
Processo de "Memorização"
Aquecimento acima da temperatura crítica
Fixação da forma desejada.
Aplicações Práticas
Conexões ajustadas por contração em
tubulações.
Uso em aeronaves, submarinos, e navios.
dontologia, medicina, moda, dispositivos
domésticos.
Exercícios 
Obrigado pela atenção de vocês!!