Transformações de fases P2

Prévia do material em texto

Pedro A. P. Nascente
Universidade Federal de São Carlos
Departamento de Engenharia de Materiais
13565-905 São Carlos, SP
E-mail: nascente@ufscar.br
Transformações de Fases
Conceitos Básicos
As transformações de fases podem ser dividas em:
-Transformações simples que dependem da 
difusão, mas em que não ocorrem alterações no 
número ou na composição das fases presentes. 
Incluem a solidificação de um metal puro, as 
transformações alotrópicas, a recristalização e o 
crescimento do grão.
-Transformações que dependem da difusão, mas
que há alguma alteração nas composições das 
fases e no número de fases presentes.
-Transformações sem a ocorrência da difusão.
Cinética de Reações no Estado Sólido
A maioria das transformações no estado sólido não 
ocorre instantaneamente, pois obstáculos impedem 
o curso da reação e a tornam dependente do tempo.
O primeiro processo a acompanhar uma 
transformação de fases é a nucleação, que consiste 
na formação de partículas, ou núcleos, muito 
pequenos da nova fase. O segundo estágio é o 
crescimento, em que os núcleos aumentam em 
tamanho.
A dependência em relação ao tempo da taxa de 
transformação, conhecida por cinética de uma 
transformação, é uma consideração importante 
para o tratamento térmico de materiais. A fração da 
reação é medida em função do tempo, enquanto a 
temperatura é mantida constante. O progresso da 
transformação é verificado mediante um exame 
microscópico ou mediante a medição de alguma 
propriedade física cuja magnitude seja 
característica da nova fase.
O gráfico da fração de material transformado em 
função do logaritmo do tempo tem a forma de S. A 
fração da transformação, y, é uma função do tempo, 
t, de acordo com:
y = 1 – exp(-ktn)
Por convenção, a taxa de uma transformação, r, é
dada pelo inverso do tempo necessário para que a 
transformação prossiga até a metade da sua 
conclusão, t0,5,
r = 1 / t0,5
Gráfico da fração da transformação em função do logaritmo 
do tempo, para uma temperatura constante.
A temperatura é uma das variáveis em um processo 
de tratamento térmico que está sujeita a controle, e 
ela pode ter uma influência profunda sobre a 
cinética.
Para a maioria das reações, e ao longo de faixas de 
temperaturas específicas, a taxa aumenta em 
função da temperatura de acordo com:
r = A e-Q/RT
R é a constante dos gases,
T é a temperatura absoluta,
A é uma constante independente da temperatura,
Q é a energia de ativação.
Porcentagem de recristalização em função do tempo, para 
diversas temperaturas, para o cobre puro.
A taxa de aproximação do equilíbrio para sistemas 
sólidos é tão lenta que estruturas em verdadeiro 
equilíbrio raramente são atingidas. Na prática, há
um deslocamento para temperaturas mais baixas, 
no caso do resfriamento, e para temperaturas mais 
elevadas, para o aquecimento. Esses fenômenos 
são conhecidos por super-resfriamento e 
sobreaquecimento, respectivamente.
Por exemplo, para taxas normais de resfriamento, a 
reação eutetóide ferro-carbono é deslocada para 
entre 10 e 20 oC abaixo da temperatura de 
transformação em condições de equilíbrio.
Diagrama de fases para o sistema ferro-carbeto de ferro.
Microestruturas para uma liga ferro-carbono de composição 
eutetóide.
Microestrutura perlita, que consiste em camadas alternadas 
de ferrita e cementita.
Perlita
A dependência em relação à temperatura para uma 
liga ferro-carbono com composição eutetóide está
indicada na próxima figura, onde estão plotadas
curvas em forma de S que mostram a porcentagem 
de transformação em função do logaritmo do 
tempo, para três temperaturas diferentes. Para cada 
curva, os dados foram coletados após se resfriar
rapidamente uma amostra composta por 100% de 
austenita até a temperatura indicada no gráfico; 
aquela temperatura foi mantida constante durante 
toda a reação.
Para uma liga com composição eutetóide, a fração reagida 
isotermicamente em função do logaritmo do tempo para a 
transformação de austenita em perlita.
Na próxima figura, os eixos vertical e horizontal 
representam, respectivamente, a temperatura e o 
logaritmo do tempo. Duas curvas contínuas estão 
plotadas: uma representa o tempo necessário a 
cada temperatura para o início da transformação e a 
outra representa a conclusão da transformação. A 
curva tracejada corresponde a um estado com 50% 
da transformação concluída. A curva em forma de S 
para 675 oC ilustra como são obtidos os dados.
Demonstração de como um diagrama de transformação 
isotérmica é gerado a partir de medições da porcentagem 
da transformação do logaritmo do tempo.
A temperatura eutetóide (727 oC) está indicada por 
uma linha horizontal. A uma temperatura acima da 
eutetóide, a qualquer tempo, apenas a austenita irá
existir. A transformação de austenita em perlita
ocorrerá somente se uma liga for super-resfriada 
até abaixo da temperatura eutetóide. O tempo 
necessário para que a transformação tenha início e 
termine depende da temperatura. As curvas de 
início e término são praticamente paralelas, e elas 
se aproximam assintoticamente da curva eutetóide.
À esquerda da curva de início da transformação, 
apenas a austenita (que é instável) estará presente, 
enquanto que à direita da curva de término da 
transformação apenas a perlita existirá. Entre as 
duas curvas, a austenita se encontra no processo 
de transformação em perlita, e assim ambos os 
microconstituintes estarão presentes.
Os gráficos como os da figura anterior são 
conhecidos por diagramas de transformações 
isotérmicas, ou por gráficos transformação tempo-
temperatura (T-T-T).
A próxima figura mostra uma curva real de um 
tratamento térmico isotérmico (ABCD) que está
superposta ao diagrama de transformação 
isotérmica para uma liga ferro-carbono com 
composição eutetóide. Um resfriamento muito 
rápido da austenita até uma dada temperatura está
indicado pela curva AB, que é praticamente vertical, 
enquanto que o tratamento isotérmico nessa 
temperatura está representado pelo segmento 
horizontal BCD. A transformação da austenita em 
perlita tem seu início no ponto C (aprox. 3,5 s) e 
termina no ponto D (aprox. 15 s).
Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-
carbono com composição eutetóide, mostrando a 
superposição da curva para um tratamento térmico 
isotérmico (ABCD).
A razão entre as espessuras das camadas de ferrita
e de cementita na perlita é de aproximadamente 8 
para 1. Contudo, a espessura absoluta da camada 
depende da temperatura na qual é permitido o 
prosseguimento da transformação isotérmica. A 
temperaturas imediatamente abaixo da temperatura 
eutetóide, são produzidas camadas relativamente 
espessas, tanto para a fase ferrita  como para a 
fase Fe3C; esta microestrutura é conhecida por 
perlita grosseira. A essas temperaturas, as taxas de 
difusão do carbono são relativamente elevadas, o 
que resulta na formação de lamelas grossas.
Com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão 
do carbono diminui e as camadas se tornam 
progressivamente mais finas. A estrutura formada a 
aproximadamente 540 0C é conhecida por perlita
fina.
Para ligas ferro-carbono com outras composições, 
uma fase proeutetóide (ou ferrita ou cementita) 
coexistirá com a perlita. Assim, devem ser incluídas 
as curvas adicionais que correspondem a uma 
transformação proeutetóide, como mostra o 
próximo diagrama.
Micrografias de amostras de (a) perlita grosseira e (b) perlita
fina. Ampliação de 3000X. 
Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-
carbono com 1,13 %p C: A,austenita; C, cementita
proeutetóide; P, perlita.
Bainita
A transformação austenítica para temperaturas 
entre 300 e 540 0C causa a formação da bainita
superior, cuja microestrutura é constituída por umasérie de ripas paralelas de ferrita que se encontram 
separadas por partículas alongadas da fase 
cementita. A fase que está em volta da bainita é a 
martensita.
Micrografia de TEM mostrando a microestrutura da bainita
superior. Um grão de bainita passa do canto inferior 
esquerdo para o canto superior direito da figura.
A temperaturas mais baixas, entre 200 e 300 0C, é
formada a bainita inferior. Neste caso, a fase ferrita
ocorre na forma de placas finas e partículas 
estreitas de cementita (na forma de bastões ou 
lâminas muito finas) se formam no interior das 
placas de ferrita.
Micrografia de TEM mostrando a microestrutura da bainita
inferior. O detalhe mostra a extremidade de um grão de 
bainita inferior. Ampliação de 2300X.
Diagrama da transformação isotérmica para uma liga ferro-
carbono com composição eutetóide, incluindo as 
transformação da austenita em perlita (A-P) e da austenita
em bainita (A-B).
Cementita Globulizada
Uma microestrutura perlítica ou bainítica aquecida a 
uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide
durante um período suficientemente longo, por 
exemplo, 700 0C a 18-24 horas, transforma-se em 
cementita globulizada. Este tratamento térmico é
conhecido como recozimento subcrítico. A fase 
Fe3C aparece como partículas com aspecto esférico 
que estão encerradas em uma matriz contínua da 
fase . Esta transformação ocorre mediante uma 
difusão adicional de carbono, sem alterações nas 
composições ou quantidades relativas das fases.
Fotomicrografia de um aço com uma microestrutura de 
cementita globulizada. Aumento de 1000x.
Martensita
É a fase formada quando ligas ferro-carbono 
austenitizadas são resfriadas rapidamente (ou 
temperadas) até uma temperatura baixa; é uma fase 
com estrutura tetragonal de corpo centrado que não 
se encontra em equilíbrio. Qualquer difusão que 
venha a ocorrer resultará na formação das fases 
ferrita e cementita.
Podem ocorrer duas microestruturas martensíticas
diferentes: em ripas e lenticular.
Características microestruturais da martensita em ripas ou 
martensita maciça.
Microestrutura martensítica lenticular ou em placas. 
Aumento de 1220X.
Diagrama de transformação isotérmica completo para um 
liga ferro-carbono com composição eutetóide: A, austenita; 
B, bainita; M, martensita; P, perlita.