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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
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