10 TRANSFORMAÇÕES DE FASES E TRATAMENTOS TÉRMICOS

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austempering
Austêmpera
(obtém bainita fina)
Há transformações que dependem de difusão e outras que não dependem.
Transformações que dependem de difusão:
 transformações alotrópicas (ex.    do Fe)
 mudanças de estado físico, como solidificação;
 precipitação e dissociação ou dissolução de fases como carbetos, nitretos, etc,
 transformações bainíticas. 
Transformações que ocorrem sem difusão 
 transformações martensíticas 
Quando ocorre transformação sem difusão formam-se fases metaestáveis (não estáveis). 
TRANSFORMAÇÕES DE FASES
REAÇÕES CONTROLADAS POR DIFUSÃO
Nucleação e crescimento em transformações ou reações 
 estágio 1: formação de núcleos  se formam em pontos de maior energia livre (por ex.: nos contornos de grão e outros defeitos cristalinos);
 estágio 2: crescimento  O crescimento se dá com uma determinada velocidade, isto é, depende do tempo. 
Para determinar a cinética, medimos a taxa de conversão do reagente em produto em função do tempo em uma temperatura constante (isotérmica). Taxa de conversão = taxa de transformação.
A quantidade transformada y em função do tempo t é dada por:
Onde k e n são constantes independentes do tempo.
Plotando os resultados em um gráfico, obtemos curvas do tipo S
y = 1- exp (- k t n)
Convencionou-se chamar de taxa de reação, o inverso do tempo necessário para converter a metade (50% reagido) 
Taxa de reação = r = 1/t0,5
A temperatura exerce grande influência nas transformações que necessitam de transporte de massa.
Para a maioria das reações e dentro de determinados intervalos, a taxa r aumenta com a temperatura de acordo com a equação: 
Onde:
 R = constante geral dos gases;
 Q = energia de ativação do mecanismo de transporte de massa ativo na reação;
 A = constante independente da temperatura (específica da reação considerada);
 T = temperatura absoluta (em graus Kelvin)
 r = Ae–Q/RT 
Fe3C
Fe
Curvas TTT
Diagrama TTT para um aço eutetóide. Acima da linha tracejada (aproximadamente 540 0C) ocorre transformação da austenita em perlita e abaixo desta mesma linha ocorre a transformação em bainita (abaixo do joelho da curva TTT nas ligas Fe-C)
Obtenção de bainita 
Aço eutetóide
(Fe + 0,76C)
3
2
1
Fe3C
Fe
4
5
3
1
2
Diagrama TTT 
Aço Eutetóide
(C = 0,76%)
Aço 4340
(Ni = 1,65 a 2,0%
Cr = 0,40 a 0,90%
Mo = 0,20 a 0,30%
C = 0,40% )
1
3
Quais os micro-constituintes em cada caso?
2
Aço 4340
Composição: 
Ni = 1,65 a 2,0%
Cr = 0,40 a 0,90%
Mo = 0,20 a 0,30%
C = 0,40% 
A= Austenita
B = Bainita
M = Martensita
1
2
3
xxxxx
Possibilidades de transformações em função da taxa de esfriamento 
Aço eutetóide (% c = 0,76%
BCT = Body Centered Tetragonal
Austenitização
Têmpera + revenido
Martêmpera
Austêmpera
Recozimento pleno
Normalização
TRATAMENTOS TÉRMICOS MAIS COMUNS
Aquecer 50 graus acima da linha solvus do diagrama (entrar no campo da austenita) e deixar de 30 a 60 min (depende da espessura da peça).
Tempera + revenido
 (Martensita revenida)
Figura 11.12 – A célula unitária da estrutura tetragonal de corpo centrado da martensita de ligas Fe-C. Para esta célula, c > a
átomos de ferro
átomos de carbono
Figura 11.13 – Fotografia mostrando o micro-constituinte martensita. Os grãos em forma de agulhas são a fase martensita e as regiões claras são austenita que não conseguiu se transformar no resfriamento (1220 x) 
Martensita revenida
De uma forma simples e geral, entende-se por residuais as tensões existentes em um corpo sem que sobre ele estejam agindo quaisquer forças externas. Durante o resfriamento e durante as transformações, estão atuando forças, que causem modificações dimensionais, inclusive deformação plástica quando a tensão é maior que a de escoamento.
As tensões residuais são elásticas e se superpõem às cargas de serviço, podendo ser benéficas ou deletérias às estruturas e equipamentos, dependendo de sua magnitude, sinal e distribuição. 
As tensões residuais são auto-equilibrantes. Qualquer perturbação como remoção de material, aplicação de carregamentos térmicos ou mecânicos, altera o seu estado e causa sua redistribuição de modo que as tensões se equilibrem novamente. 
Tensões residuais
“Nos aços, vários mecanismos provocam tensões residuais. Quando os aços são temperados, a superfície do aço resfria rapidamente e se transforma em martensita. Quando a austenita no centro se transforma posteriormente, a superfície externa já constituída de martensita dura e frágil é submetida à tração enquanto o centro da peça está sob compressão. Caso as tensões trativas excedam o limite de resistência, trincas de têmpera são formadas na superfície”. 
Tensões que ocorrem por diferenças de taxas de resfriamento entre pontos distintos do volume do material se modificam a medida que a diferença de temperatura entre estes pontos varia. Assim, no final a tensão residual (ou tensão que resta na peça) depende dos seguintes pontos:
Coeficiente de Dilatação térmica
Taxa de resfriamento. Esta vai variar para para cada ponto em função das variações de temperatura.
Ocorrência paralela de outras transformações com variação volumétrica.
A classificação mais comum das tensões residuais é quanto à área de abrangência, sendo elas tensões residuais:
macroscópicas (1a ordem)  uma região do volume da peça que ultrapassa o tamanho de grão);
microscópicas (2a ordem)  no interior de um mesmo grão; 
submicroscópicas (3a ordem). 
[Classificação criada pelo professor Macherau, da universidade de Karlsruhe, Alemanha]
Origens de Tensões Residuais em peças
Processos nos quaisgeralmente ocorre
1) Deformação plástica local
Compreende todos os processos de carregamento mecânico, moagem e usinagem
2) Fornecimento ou Retirada de calor + (1)
Soldagem, fundição, processos de tratamento térmico
3) Diferente expansão térmica de diferentes fases + (2)
Processos de recobrimento (PVD, CVD, outros)
4)Gradientes de composição química + (2)
Tratamentos de superfície (carbonetação,nitretação) e recobrimento
5) Combinação de vários
a) 
b) 
Distorção da rede cristalina por átomos em solução sólida: 
a) átomo soluto maior que o da matriz (solvente) e,
b) átomo soluto menor que o da matriz (solvente)
31
trativas
compressivas
compressivas
trativas
compressivas
trativas
5
6
3
1
2
Diagrama TTT 
Aço Eutetóide
(C = 0,76%)
4
Tempera + revenido
 (Martensita revenida)
Tratamentos térmicos de materiais
Recozimento pleno  realizado para restabelecer a ductilidade do material. Diminuir a dureza e aumenta a plasticidade dos metais. Velocidade de resfriamento pequena (deixar resfriar normalmente no forno)
Tempo (horas)
T (C)
T0
Aço ao carbono (sem elementos de liga). 
 Dureza em função do teor de carbono para distintas microestruturas
Aço ao carbono (sem elementos de liga). 
 Ductilidade em função do teor de carbono para distintas microestruturas
 O material encruado, quando aquecido a cima da temperatura de recristalização, forma grãos novos a partir dos grão deformados existentes no material encruado. Para que isto ocorra é necessário que haja no mínimo uma deformação igual a crítica, que introduz instabilidade suficiente para disparar a recristalização
 Quanto maior o grau de deformação e tanto menor a temperatura de recristalização, menor será o tamanho do novo grão resultante;
 Podemos utilizar a recristalização para diminuir o tamanho de grão de um material
Tratamento térmico de recristalização
a)
b)
Fig. 8.21 - Estágios da recristalização e crescimento de grão de Latão 
Estrutura dos grão após deformação a frio (33% de deformação)
Estágio inicial da recristalização após aquecimento a 580 C por 3 segundos. Os grãos muito pequenos já são novos , isto é, recristalizados (estágio inicial de crescimento)
c)
d)
Fig. 8.21 - Estágios da recristalização e crescimento de grão de Latão 
Após 4s de recristalização em 580 C - maior quantidade
de grão já recristalizados;
Recristalização completa após 8 s a 580 C 
e)
f)
Fig. 8.21 - Estágios da recristalização e crescimento de grão de Latão 
Tamanho de grão após 15 min em 580 C, evidenciando o crescimento de grão após a recristalização;
Tamanho de grão após 10 min em 700 C, evidenciando o crescimento de grão maior ainda após a recristalização;
Latão ( Cu + 30 Zn)
Temperatura de recristalização de ferro em função do grau de deformação a frio. Para deformação menor que a crítica (no caso do ferro  5 %), não ocorre recristalização.
Mecanismos de aumento de resistência mecânica 
(ou de endurecimento) 
Introdução de elementos de liga em solução sólida
Introdução de partículas de segunda fase (dispersas e precipitadas)
Diminuição do tamanho de grão (aumento da quantidade de contornos de grão)
Deformação plástica – encruamento (geração de defeitos - maclas e/ou discordâncias)
Transformação martensítica (gera de defeitos tipo discordâncias ou maclas)
Orientação cristalina
Mecanismos de aumento de resistência mecânica 
(ou de endurecimento) 
Deformação plástica
A deformação plástica se dá pela movimentação de discordâncias ao longo de uma direção cristalina e sobre o plano cristalino que coincide com a linha de discordância
1) Aumento de resistência por solução sólida
Átomos estranhos a rede do cristal (solução sólida substitucional e intersticial) produzem um campo de tensões em sua volta que dificulta os mecanismos de deformação plástica. 
O aumento de dureza e de resistência dependem da quantidade de átomos em solução e do valor do campo de tensões gerado, que varia de acordo com o tamanho do átomo estranho em solução (elemento de liga em solução). 
Isto se traduz em um aumento de resistência e dureza por que as discordâncias, para se mover, necessitam vencer o campo de tensões dos átomos em solução que se encontram no seu caminho. 
1) Aumento de resistência por solução sólida
Átomos estranhos a rede do cristal (solução sólida substitucional e intersticial) produzem um campo de tensões em sua volta que dificulta os mecanismos de deformação plástica. 
O aumento de dureza e de resistência dependem da quantidade de átomos em solução e do valor do campo de tensões gerado, que varia de acordo com o tamanho do átomo estranho em solução (elemento de liga em solução). 
Isto se traduz em um aumento de resistência e dureza por que as discordâncias, para se mover, necessitam vencer o campo de tensões dos átomos em solução que se encontram no seu caminho. 
Aumento da tensão de escoamento pela adição de elementos de liga ao cobre metálico. 
Teor de do elemento de liga adicionado (%)
2) Aumento de resistência pela presença de partículas de segunda fase no volume da matriz
Partículas de segunda fase dispersas ou precipitadas numa matriz metálica produzem um efeito de aumento de resistência e de dureza.
Há dois tipos: 
 - partículas precipitadas e 
 - partículas dispersas. 
a) Partículas de segunda fase precipitadas no interior da matriz (átomos vermelhos) 
Figure 5. Micrographs of dispersed SiC particles of different average particle sizes in Al Matrix. a) 14,5 µm average particle size and b) 1,5 µm average particle size.
a
b
Teor do elemento de liga
Temperatura
C
Tsol.
linha solvus da
liga considerada
A) Partículas precipitadas: 
São obtidas pela precipitação de uma fase (ou elemento de liga) solúvel em temperatura elevada mas insolúvel ou apenas parcialmente solúvel na temperatura ambiente (solubilidade aumenta com a temperatura). 
Em relação à concordância da rede cristalina da partícula precipitada com a rede da matriz, os precipitados podem ser:
 - coerentes
 - semicoerentes
 - incoerentes
B) Partículas dispersas:
 A dispersão de partículas de segunda fase, não solúveis ou com solubilidade muito baixa na matriz, é possível via processamento de materiais a partir de pós. 
Exemplos de aplicações: 
 - Níquel endurecido pela dispersão de partículas de 
 óxido de Tório ( Ni + ThO2);
 - Alumínio endurecido pela dispersão de partículas de 
 carbeto de Silício ( Al + SiC) ou partículas de Alumina 
 (Al + Al2O3);
 - Ferro endurecido por dispersão de NbC, etc.
O endurecimento obtido depende de:
 - tamanho das partículas de segunda fase
 - distância entre elas (livre caminho médio )
 - percentual de partículas 
 - energia da interface formada (relação das tensões 
 superficiais  AB  A + B)
 - propriedades intrínsecas das fases presentes 
 (tanto da matriz quanto da fase dispersa)
Deformação Plástica pl

Aumento de resistência causado por partículas de segunda fase 
A tensão adicional necessária para a discordância em movimento contornar ou cortar as partículas é dada por:
part. =
G b

f ()
 = livre caminho médio entre as partículas dispersas
 = tamanho médio das partículas dispersas
b = módulo do vetor de Burgers (Obs. Vetor de Burgers é a dimensão (valor) e direção da distorção de rede causada pela discordância.
G = módulo de cisalhamento da matriz
Representação esquemática da obstrução de discordâncias em movimento por partículas precipitadas ou dispersas
3) Encruamento (aumento de resistência mecânica por deformação plástica
 A deformação plástica ocorre passo a passo via movimentação de discordâncias, ou seja , não é o plano inteiro que se desprende e desloca. Na deformação plástica ocorre a geração de discordâncias e outros defeitos cristalinos. Defeitos no interior do material atrapalham a movimentação das discordâncias, levando a um incremento na força ou tensão necessária para mover as discordâncias  usamos isto para aumentar a resistência e a dureza dos metais.
 O aumento do número de discordâncias e/ou maclas por unidade de volume dificulta os mecanismos de deformação plástica, o que se traduz em um aumento da resistência do material e, conseqüentemente, da sua dureza.
O aumento de resistência provocado por discordâncias é dado por		disc = 1MTGb  , 
onde:
1 = constante
MT = fator de orientação do cristal com a direção do tensão aplicada
G = módulo de cisalhamento
b = módulo do vetor de burgers da discordância
 = densidade de discordâncias
Discordâncias em cunha no mesmo plano cristalino:
Quando de mesmo sinal se repelem
B) quando de sinal contrários, se aniquilam
Curva tensão real X deformação 
Deformação 
Encruamento causado pela formação de defeitos cristalinos
e
’
e = ’ - e 
e 
el 
pl 
real = F/A
pl 
s
real
= tensão real 
(A = área instantânea)
M = Inicio da estricção na curva  x 
M’ = Inicio da estricção na curva real x real
real = F/A
real = ln L/L0
real = (1 + )
real = ln(1 + )
real = K εreal
n
ε
Quando inicia a formação do neck, o estado de tensões se torna complexo. A curva corrigida correspondente a tensão axial no neck que é levemente menor do que a obtida pela razão F/A
Curva corrigida
M
M’
e

F/A
F/A0
K e n são constantes que variam de material para material e ainda das condições de obtenção do Material (tratamentos térmicos etc.). 
n é chamado de expoente de encruamento por deformação (strain hardening exponent)
Laminação
Trefilação
Exemplos de encruamento
Formação de textura cristalina. a) antes da deformação: grãos equiaxiais; b) após a deformação: grãos alongados na direção da deformação plástica.
4) Aumento de resistência por diminuição do tamanho de grão
Equação de Hall-Petch
d = diâmetro médio dos grãos
0 e ky = Constantes que dependem do material particular 
 A equação de Hall-Petch não vale para grãos muito pequenos e nem para grão muito grandes
O aumento da tensão de escoamento para muitos materiais obedece a equação abaixo: