Unidade 5 - Diagramas de transformação de fases e tratamentos térmicos

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Princípios da Ciência e Tecnologia 
dos Materiais
CCE 0291 (2 créditos)
Fábio Oliveira
2015/2
Avaliando o aprendizado 2015.2
19
Unidade 5 
Diagramas de Transformação de 
Fases e Tratamentos Térmicos
Por que estudar os diagramas de 
transformação de fases?
• Um conjunto específico de características mecânicas resulta,
com frequência, de uma transformação de fases, a qual é
concebida por um tratamento térmico.
• As dependências em relação ao tempo e à temperatura das
transformações de fases são bem representadas em
diagramas de fases modificados.
• É importante saber como usar esses diagramas, a fim de se
projetar um tratamento correto para que uma dada liga
reproduza as propriedades mecânicas desejadas.
Por que estudar os diagramas de 
transformação de fases?
• Por exemplo, o limite de resistência à tração de uma liga ferro
carbono com composição eutetóide (0,76% p C) pode variar
de aproximadamente 700 MPa até 2000 MPa, dependendo
do tratamento térmico empregado.
Introdução
• O desenvolvimento da microestrutura em ligas envolve algum
tipo de transformação de fases – uma mudança no número
e/ou natureza das fases.
• Uma vez que a maioria das transformações de fases não
ocorre instantaneamente são feitas considerações quanto à
dependência da reação em relação ao tempo, isto é, fala-se
da taxa de transformação.
• Quando se fala da taxa de transformação de fases fala-se, na
verdade, da cinética das reações envolvidas.
Introdução
• As transformações de fases resultam na formação de pelo
menos uma nova fase.
• Estas transformações são dependentes de um processo
chamado difusão, que consiste no transporte de moléculas de
soluto pelo movimento térmico.
• Existem ainda transformações que não dependem de difusão
e nas quais se produz uma fase metaestável, isto é, um
estado diferente do estado de equilíbrio mais estável.
Cinética das 
Transformações de Fases
• Como a maioria das reações dá origem à formação de novas
fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As
etapas de uma transformação são:
1) Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova fase.
2) Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que as
condições de equilíbrio sejam atingidas.
Cinética das 
Transformações de Fases
• A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário
para que metade da transformação ocorra:
r = 1
t0,5
Cinética das 
Transformações de Fases
Recristalização do Cobre em função do tempo e da temperatura
O Sistema Fe-C
Ferros
Família dos aços
Família dos ferros fundidos
Soluções sólidas:
Ferro 
Austenita 
Ferrita 
Composto estequiométrico:
Cementita Fe3C
Reações: 
eutética
eutetóide
O Sistema Fe-C
Reação Eutética: uma fase líquida se
transforma em duas fases sólidas.
Reação Eutetóide: uma fase sólida se
transforma em duas fases sólidas.
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
• O sistema Fe-C possui uma grande variedade de
microestruturas. Portanto a relação microestrutura x
tratamentos térmicos é de fácil visualização neste
sistema.
• Condições de temperatura constante são denominadas
isotérmicas.
• Algumas vezes estes gráficos são chamados de gráficos
TTT (Transformação-Tempo-Temperatura).
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
Perlita grosseira x perlita fina
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
Perlita grosseira Perlita fina 
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
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.
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.
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
Micrografia mostrando a estrutura da bainita (MET)
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
Bainita superior Bainita inferior
Diagramas de 
Transformações Isotérmicas
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 (esferoidita).
Cementita
Ferrita
Transformação Martensítica
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.
As linhas horizontais 
indicam que a 
transformação não 
depende do tempo. 
Ela é apenas uma 
função da 
temperatura de 
resfriamento 
(transformação 
atérmica).
Transformação Martensítica
Composição eutetóide
(0,76% C) 
Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C, 1,8% 
Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn
Transformação por 
Resfriamento Contínuo
- 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.
Transformação por 
Resfriamento Contínuo
Transformação por 
Resfriamento Contínuo
Taxas críticas de resfriamentos Taxas críticas de resfriamentos menores para ligas 
Transformação por 
Resfriamento Contínuo
Martensita - menos de 0,6%p C  ripas Martensita - mais de 0,6%p C  lentículas
Microestruturas e suas 
propriedades mecânicas
Microconstituinte Fases presentes Arranjo das fases Propriedades 
mecânicas
Cementita
globulizada
Ferrita α + Fe3C Partículas esféricas
de Fe3C em matriz 
de ferrita α
Pouco resistente e 
dúctil
Perlita grosseira Ferrita α + Fe3C Camadas alternadas 
de ferrita α e Fe3C 
grossas
Mais dura e 
resistente e menos 
dúctil que a 
cementita
globulizada
Perlita fina Ferrita α + Fe3C Camadas alternadas 
de ferrita α e Fe3C 
finas
Mais dura e 
resistente e menos 
dúctil que a perlita
grosseira
Microestruturas e suas 
propriedades mecânicas
Microconstituinte Fases presentes Arranjo das fases Propriedades 
mecânicas
Bainita Ferrita α + Fe3C Partículas muito 
finas e alongadas de 
Fe3C em matriz de 
ferrita α
Dureza e resistência 
maiores que as da 
perlita fina 
Martensita revenida Ferrita α + Fe3C Partículas muito 
pequenas e esféricas 
de Fe3C em uma 
matriz de ferrita α
Resistente mas não 
tão dura quanto a 
martensita porém, 
mais dúctil
Martensita Tetragonal de corpo
centrado, 
monofásico
Grãos com formato 
de agulha
Muito dura e muito 
frágil
Austenita
(ferrita CFC)
Perlita
( + Fe3C)
Bainita
( + partículas Fe3C)
Martensita
(TCC)
Resfriamento
lento
Resfriamento
moderado
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita revenida
Reaquecimento
Resumindo...
Sistema Fe-C
• A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário
para que metade da transformação ocorra:
Exercícios
1. Cite duas diferenças principais entre as transformações martensíticas e
perlíticas?
2. No diagrama de transformações isotérmicas para uma liga ferro-carbono
esboce e identifiqueum percurso tempo-temperatura que irá produzir
100% de perlita fina.
Exercícios
Exercícios
3. Considerando o diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-
carbono com composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura
final (em termos dos microconstituintes presentes e das porcentagens
aproximadas) de uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes
tratamentos tempo-temperatura. Assuma que tal amostra encontra-se por
tempo suficiente na temperatura 760 °C, obtendo-se uma estrutura totalmente
austenítica.
a) Resfriar rapidamente até 350 °C, manter por 10⁴ s e, então, temperar até
temperatura ambiente.
b) Resfriar rapidamente até 250 °C, manter por 100 s e, então, temperar até
temperatura ambiente.
c) Resfriar rapidamente até 650 °C, manter por 20 s, resfriar rapidamente até
400 °C, manter por 10³ s e, então, temperar até temperatura ambiente.
Exercícios