metalografia transf. de fases

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Transformações de 
fases: Microestrutura 
e propriedades de 
ligas Fe-C
O desenvolvimento de um conjunto de características
mecânicas desejáveis para um material resulta, com
freqüência, de uma transformação de fases, a qual é forjada
por um tratamento térmico.
As dependências em relação ao tempo e à temperatura de
algumas transformações de fases são representadas de uma
maneira conveniente em diagramas de fases modificados.
É importante saber usar esses diagramas a fim de se projetar
um tratamento térmico para uma dada liga que produzirá as
propriedades mecânicas desejadas à temperatura ambiente.
Três mecanismos de fortalecimento: refinamento de grão, 
endurecimento por solução sólida e endurecimento por deformação 
(encruamento).
São disponíveis técnicas adicionais por meio das quais propriedades 
mecânicas são confiadas às características da microestrutura.
O desenvolvimento de microestrutura em ligas tanto monofásicas quanto
bifásicas ordinariamente envolve algum tipo de transformação de fase
A maioria das transformações de fase não ocorre instantaneamente,
consideração deve ser dada à dependência do progresso da reação em
relação ao tempo, ou taxa de transformação.
Transformações multifásicas
Transformações de fase podem ser produzidas em sistemas de ligas
metálicas pela variação da temperatura, composição e pressão externa;
entretanto, mudanças de temperatura por meio de tratamentos térmicos
são as mais convenientemente usadas para induzir transformações de
fases.
Isto corresponde a cruzar um limite de fases no diagrama de fases
composição-temperatura quando uma liga de dada composição é
aquecida ou resfriada.
A maioria das transformações requer algum tempo finito para se completar e
a velocidade ou taxa é importante na correlação entre o tratamento térmico
e o desenvolvimento de microestrutura.
Condições de equilíbrio são mantidas somente se aquecimento ou
resfriamento é realizado em taxas extremamente lentas.
Para resfriamentos outros que não o de equilíbrio, as transformações
são deslocadas para temperaturas menores do que aquelas indicadas
pelo diagrama de fases; para o aquecimento, o deslocamento é para
temperaturas maiores do que as indicadas pelo diagrama de fases.
Estes fenômenos são denominados superresfriamento e
superaquecimento, respectivamente.
O grau de cada um depende da taxa de variação da temperatura;
quanto mais rápido o resfriamento ou o aquecimento, tanto maior o
superresfriamento ou o superaquecimento.
Por exemplo, para taxas comuns de resfriamento a reação eutetóide
ferro-carbono é tipicamente deslocada 10 a 20oC (18 a 36oF) abaixo
da temperatura de transformação de equilíbrio.
Diagramas de transformações isotérmicas
• Perlita
C(6,7%pC)FepC)%022,0(γ(0,76%pC) 3
toresfriamen

 
  
oaqueciment
 Ponto invariante eutetóide.
 Localizado à 0,76%pC e 727°C
 Extremamente importantes para os tratamentos 
térmicos dos aços.
A temperatura desempenha um papel importante na taxa da 
transformação da austenita em perlita.
Curvas em forma de S: porcentagem da transformação em função do 
logaritmo do tempo, para três temperaturas diferentes.
Os dados foram coletados após se resfriar rapidamente uma amostra 
composta por 100% de austenita até a temperatura indicada no gráfico 
(mantida constante).
Curvas 
transformação 
tempo-
temperatura 
(TTT)
Várias restrições são impostas ao uso desses diagramas:
•Este gráfico particular é válido apenas para uma liga ferro-
carbono de composição eutetóide; para outras composições, as
curvas terão diferentes configurações.
•Estes gráficos são precisos apenas para transformações nas
quais a temperatura da liga é mantida constante ao longo de toda
a duração da reação.
Condições de temperatura constante são denominadas
isotérmicas.
Tratamento térmico isotérmico (ABCD) que está superposto ao diagrama 
de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com composição 
eutetóide.
A espessura absoluta da perlita depende da temperatura da transformação 
isotérmica. Pode formar a perlita grosseira e a perlita fina.
A perlita grosseira forma-se a temperaturas mais altas (imediatamente 
abaixo da temperatura eutetóide).
Taxas de difusão relativamente altas: C pode se difundir ao longo de 
maiores distâncias, resultando em lamelas grossas.
A perlita fina forma-se a temperatura mais baixas (vizinhança de 540ºC).
Taxa de difusão do C diminui: camadas mais finas. 
Perlita grosseira Perlita fina
Bainita
A temperaturas mais baixas, outros microconstituintes são 
encontrados, um deles é a bainita.
Dois tipos: bainita superior e inferior. Também consiste de ferrita e 
cementita, mas arranjos diferentes da estrutura lamelar.
Bainita superior: uma série de 
ripas paralelas (tiras finas e 
estreitas) ou agulhas de ferrita 
separadas por partículas 
alongadas da fase cementita. 
Se forma entre 300 e 540°C.
Bainita superior (MET)
Bainita inferior: a fase ferrita 
existe na forma de placas finas, 
e partículas estreitas de 
cementita se formam no interior 
dessas placas de ferrita. Se 
forma entre 200 e 300°C.
Bainita inferior (MEV)
Cementita globulizada (esferoidita)
Uma liga de aço com microestrutura de perlita ou bainita aquecida
e deixada a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide
durante um período suficientemente longo (700°C por entre 18 e
24 horas), forma uma outra microestrutura : cementita
globulizada.
1000x
A fase Fe3C aparece como 
partículas com aspecto esférico 
que estão encerradas em uma 
matriz contínua da fase . 
Essa transformação ocorreu 
mediante uma difusão adicional de 
carbono, sem qualquer alteração 
nas composições ou quantidades 
relativas das fases ferrita e 
cementita. 
Martensita
A martensita é formada quando ligas ferro-carbono austenitizadas são 
resfriadas rapidamente (ou temperadas) até uma temperatura 
relativamente baixa (na vizinhança da temperatura ambiente).
Estrutura monofásica que não se encontra em equilíbrio, resultante de 
uma transformação sem difusão da austenita.
A austenita CFC experimenta uma 
transformação em uma martensita 
tetragonal de corpo centrado (TCC).
Uma célula unitária dessa estrutura 
consiste em um cubo de corpo 
centrado que foi alongado ao longo de 
uma das suas dimensões. 
Os átomos de carbono permanecem 
como impurezas intersticiais na 
martensita: solução sólida 
supersaturada. 
Os grãos de martensita nucleiam e crescem a uma taxa muito rápida, 
equivalente à velocidade do som no interior da matriz da austenita:a 
taxa de transformação martensítica é independente do tempo.
Martensita em ripa (ou maciça)
Ligas com menos do que 0,6%C, os grãos de martensita se formam 
como ripas (isto é, placas longas e finas), lado a lado, alinhados 
paralelamente uns aos outros. 
Essas ripas se agrupam em estruturais maiores (blocos). 
Martensita lenticular (ou em placas)
Encontrada em ligas Fe-C que contêm concentrações de carbono 
superiores a 0,6% C. 
Os grãos adquirem uma aparência em formato de agulha 
(lenticular) ou em formato de placas.
Região escura: martensita;
Branca: austenita retida.
1220 x
Martensita não aparece 
no diagrama de fases: 
fase fora de equilíbrio.
 Representação 
esquemática de curvas 
TTT para aço carbono:
 eutetóide 
(C = 0,8%); 
 hipoeutetóide 
(C<0,8%)
 hipereutetóide 
(C>0,8%)
Diagramas de Transformação por 
Resfriamento Contínuo (TRC)
A maioria dos tratamentos térmicos para aços envolvem resfriamento
contínuo de uma amostra até à temperatura ambiente.
Um diagrama de transformação isotérmica é válido apenas para
condições de temperatura constante, que deve ser modificadopara
transformações que ocorrem à medida em que a temperatura é
constantemente mudada.
Para resfriamento contínuo, o tempo requerido para uma reação se
iniciar e terminar é retardado. Assim as curvas isotérmicas são
deslocadas para tempos maiores e temperaturas menores: diagrama
de transformação sob contínuo resfriamento (CCT em inglês).
Superposição dos 
diagramas de 
transformação isotérmica 
e transformação por 
resfriamento contínuo 
para uma liga ferro-
carbono com composição 
eutetóide.
Duas curvas de resfriamento
correspondentes a taxas
moderadamente rápida e
lenta: aço eutetóide.
A transformação começa após
um período de tempo
correspondente à interseção
da curva de resfriamento com
a curva de início de reação e
conclui-se ao cruzar a curva
de término da transformação.
Para resfriamento contínuo
de um aço, existe uma taxa
de resfriamento rápido
crítico, que representa a
mínima taxa de têmpera que
produzirá uma estrutura
totalmente martensítica.
Apenas martensita:taxas de
têmpera maior do que a
crítica; Estrutura totalmente
perlítica se desenvolve para
menores taxas de
resfriamento.
Diagrama de transformação sob resfriamento contínuo 
para um aço-liga (tipo 4340)
e várias curvas de resfriamento superpostas
Diagramas de transformação isotérmica e sob resfriamento
contínuo são, num sentido, diagramas de fase nos quais o
parâmetro tempo é introduzido.
Cada um é experimentalmente determinado para uma liga de
especificada composição, as variáveis sendo temperatura e tempo.
Estes diagramas permitem a previsão da microestrutura após
algum período de tempo para tratamentos térmicos à temperatura
constante e sob resfriamento contínuo, respectivamente.
Comportamento mecânico de ligas Fe-C
Comportamento 
mecânico de ligas ferro-
carbono
perlita fina e grosseira, 
cementita globulizada 
(esferoidita), bainita e 
martensita
Para todas, exceto martensita, 2 fases estão 
presentes (isto é, ferrita e cementita)
Perlita A cementita é 
muito mais dura, 
mas mais frágil do 
que a ferrita. 
Assim, o aumento 
da fração de Fe3C 
num aço enquanto 
mantém-se outros 
elementos 
microestruturais 
constantes 
resultará num 
material mais duro 
e mais resistente.
Grande grau de aderência entre
as duas fases através de um
contorno: a forte e rígida fase 
cementita severamente 
restringe a deformação da fase 
ferrita mais dúctil na região 
adjacente ao contorno: 
substancialmente maior em 
perlita mais fina porque maior 
será a área de interface por 
unidade de volume de material.
Contornos de fase servem como
barreiras para o movimento de
discordância da mesma maneira
que os contornos de grão.
Maior restrição à 
deformação plástica da
perlita fina.
Cementita globulizada
A cementita têm diferentes formas e arranjos nas microestruturas da
perlita e da esferoidita.
Ligas contendo microestruturas perlíticas têm maior resistência
mecânica e dureza do que aquelas contendo microestrutura de
esferoidita.
Este comportamento é explicado em termos de reforço nos
contornos de grão e impedimento ao movimento das discordâncias
através dos contornos ferrita-cementita. Há uma menor área de
contorno por unidade de volume na esferoidita: material dúctil e
menos resistente.
Aços esferoidizados são extremamente dúcteis, muito mais do que os 
aços perlíticos finos ou grossos.
Bainita
Aços bainíticos têm uma estrutura mais fina (isto é, menores partículas de 
ferrita e Fe3C); eles são geralmente mais fortes e mais duros do que os 
aços perlíticos; ainda exibem uma desejável combinação de resistência e 
ductilidade.
Martensita
A martensita é a 
microestrutura mais dura e a 
mais resistente e, em 
adição, a mais frágil; ela 
tem, de fato, desprezível 
ductilidade. Sua dureza é 
dependente do teor de 
carbono.
A resistência mecânica e a dureza da martensita não estão 
relacionadas à microestrutura:
• Estas propriedades são atribuídas à eficiência dos átomos de 
carbono intersticiais em impedir (dificultar) o movimento de 
discordâncias;
• Relativamente poucos sistemas de escorregamento (ao longo dos 
quais as discordâncias se movem) para a estrutura TCC.
A austenita é ligeiramente mais densa do que a martensita e, portanto, 
durante a transformação de fase no resfriamento, há um aumento de 
volume.
Martensita Revenida
A martensita, além de ser muito dura, é tão frágil que ela não pode ser 
usada para a maioria das aplicações: a ductilidade e tenacidade da 
martensita podem ser aumentadas por um tratamento térmico conhecido 
como revenimento.
Revenimento: aquecimento de um aço martensítico até uma 
temperatura abaixo da temperatura eutetóide por um certo período de 
tempo. Normalmente, revenimento é realizado em temperaturas entre 
250 e 650ºC; tensões internas podem ser aliviadas em temperaturas 
tão baixas quanto 200ºC.
Martensita revenida:
A microestrutura de martensita revenida consiste de extremamente
pequenas e uniformemente dispersas partículas de cementita embutidas
dentro de uma matriz contínua de ferrita.
Similar à microestrutura de esferoidita, exceto pelo fato de que as
partículas de cementita são muito menores.
Martensita revenida pode ser quase tão dura e tão forte quanto a 
martensita, mas com ductilidade e tenacidade melhoradas.
A dureza e a resistência mecânica podem ser explicadas pela grande
área de contorno de fases entre ferrita e cementita por unidade de
volume que existe para partículas de cementita muito finas e
numerosas.
A cementita dura reforça a matriz de ferrita ao longo dos contornos de
grão e estes contornos de grão também agem como barreiras para o
movimento de discordâncias durante a deformação plástica.
A contínua fase ferrita é também muito dúctil e relativamente tenaz, o
que explica a melhoria destas propriedades na martensita revenida.
O tamanho das partículas de cementita influencia as propriedades
mecânicas da martensita revenida; o aumento do tamanho de partícula
decresce a área do contorno de fase ferrita-cementita, resultando num
material menos resistente, ainda assim mais tenaz e mais dúctil.
Além disso, o tratamento térmico de revenimento determina o 
tamanho das partículas de cementita.
As variáveis do 
tratamento de 
revenimento são 
tempo e 
temperatura; a 
difusão do carbono 
está envolvida na 
transformação da 
martensita em 
martensita 
revenida, o 
aumento da 
temperatura vai 
acelerar o processo 
de difusão, a taxa 
de crescimento das 
partículas de 
cementita, e 
portanto a taxa de 
amolecimento.
Com o aumento do tempo, a dureza diminui, o que corresponde 
ao crescimento e à coalescência das partículas de cementita.
Fragilização por revenido
O revenimento de alguns aços pode resultar numa redução da 
tenacidade medida por ensaios de impacto: fragilidade de revenido. 
O fenômeno ocorre quando o aço é revenido numa temperatura 
acima de cerca de 575ºC seguido por resfriamento lento até à 
temperatura ambiente, 
ou quando o revenimento é realizado numa temperatura 
compreendida entre aproximadamente 375 e 575ºC.
• Presença de elementos de liga manganês, níquel ou cromo e, um ou 
mais dos elementos antimônio, fósforo, arsênio e estanho como 
impurezas em relativamente baixas concentrações.
A fragilidade de revenido pode ser evitada por:
(1) controle de composição; e/ou 
(2)revenimento acima de 575oC ou abaixo de 375oC, seguido por 
têmpera até à temperatura ambiente.
Além disso, a tenacidade de aços que se tornaram fragilizados pode 
ser melhorada pelo aquecimento até cerca de 600ºC e a seguir 
rápido resfriamento até abaixo de 300ºC.
A presença desses elementos de liga e impurezas desloca atransição
dúctil-frágil para temperaturas significativamente mais elevadas; a
temperatura ambiente se situa, dessa forma, no regime de fragilidade.
Foi observado que a propagação de trincas nesses materiais
fragilizados é intergranular e, adicionalmente, que os elementos de liga
e as impurezas se segregam, preferencialmente, nessas regiões.