Aula 7 - Formação de Fases

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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
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Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz
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Transformações de Fases
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Transformações de Fases
1) Transformações envolvendo difusão
1a) Transformações alotrópicas, solidificação de metal puro, 
crescimento de grãos: Não existem alterações no número ou na composição 
das fases presentes.
1b) Transformações com alguma alteração nas fases presentes. Ex. 
reação eutetóide.
2) Transformações sem difusão onde ocorre a formação de uma 
fase metaestável
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Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
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.
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Núcleos
diminuem
Núcleos
crescem
V
a
r
i
a
ç
ã
o
 
d
a
 
e
n
e
r
g
i
a
 
l
i
v
r
e
,
 
∆
G
Energia de livre de superfície 
∆GS = 4πr2γ
(necessita de energia para criar a 
interface, desestabiliza os núcleos) 
Energia livre volumétrica
∆GV = 4/3 πr3 ∆Gυ
(libera energia)
∆GT = ∆GS + ∆GV (energia livre total)
r* = raio crítico
γ= tensão superficial
∆Gυ = energia livre / unidade de volume
Nucleação, crescimento e 
energia livre
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Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
A cinética de uma reação (= dependência com 
relação ao tempo da taxa de transformação) é
fundamental para o tratamento térmico de materiais.
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Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
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Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
Nucleação Crescimento
Logaritmo do tempo de aquecimento
F
r
a
ç
ã
o
 
d
e
 
t
r
a
n
s
f
o
r
m
a
ç
ã
o
y = fração de transformação 
k, n = constantes
t = tempo de aquecimento
y = 1- e-ktn (Equação de Avrami)
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Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário para 
que metade da transformação ocorra:
Nucleação Crescimento
Logaritmo do tempo de aquecimento
F
r
a
ç
ã
o
 
d
e
 
t
r
a
n
s
f
o
r
m
a
ç
ã
o r = 1t0,5
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Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
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Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
Influência da temperatura sobre a taxa de transformação
(Ex. recristalização do cobre)
F
r
a
ç
ã
o
 
R
e
c
r
i
s
t
a
l
i
z
a
d
o
 
(
%
)
Tempo (min)
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Influência da temperatura sobre 
a taxa de transformação
De uma maneira geral,
r = Ae -Q/RT
A = constante independente de T
Q = energia de ativação da reação
R = constante universal dos gases = 8,31 J/mol-K
T = temperatura absoluta (K)Processo termicamente ativado↑ Temperatura ↑ Taxa
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Transformações multifásicas 
⇒ Transformações de fase podem ocorrer em função de variações 
de temperatura, pressão e composição. Os tratamentos térmicos 
(=cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases) são a 
forma mais conveniente de induzir transformações de fases.
⇒ O diagrama de fases não indica o tempo necessário para 
transformações em equilíbrio.
⇒ Na prática, os tempos de resfriamento necessários para as 
transformações entre estados de equilíbrio são inviáveis. 
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Transformações multifásicas 
Transformações fora das condições de 
equilíbrio ocorrem em temperaturas menores.
Super-resfriamento
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Transformações multifásicas 
No aquecimento, o deslocamento se dá para 
temperaturas mais elevadas.
Sobreaquecimento
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Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
γ α + Fe3Cresfriamentoaquecimento
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γ perlitaresfriamento
aquecimento
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
P
o
r
c
e
n
t
a
g
e
m
 
d
e
 
P
e
r
l
i
t
a
Tempo (s)
↑ Temperatura
↓ Taxa de transformação
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Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
Uma maneira mais conveniente de representar a dependência de uma
reação com o tempo e a temperatura é o diagrama de transformação isotérmica:
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
Temperatura eutetóide
Tempo (s)
Perlita
Curva de 50% de conclusão
Curva de conclusão
(100% de perlita)
Curva de início
(0% de perlita)
Austenita
(instável)
Austenita
(estável)
Menor temperatura ⇒ maior taxa
r = Ae -Q/RT ?
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Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
Taxa de 
Nucleação
Taxa de 
Crescimento
Temperatura de transformação em equilíbrio
Taxa total de 
Transformação 
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
→
Taxa →
(Difusão)
(Solidificação)
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Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
Temperatura constante ao longo de toda a transformação
P
o
r
c
e
n
t
a
g
e
m
 
d
e
 
a
u
s
t
e
n
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t
r
a
n
s
f
o
r
m
a
d
a
 
e
m
 
p
e
r
l
i
t
a
Tempo (s)
Início da 
transformação
Final da 
transformação
Temperatura da 
transformação 675 °C
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Diagramas de Transformações 
Isotérmicas “Reais”
Indica a ocorrência de 
uma transformação
Transformação 
austenita→perlita
Perlita 
grosseira
Temperatura eutetóideAustenita
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
Tempo (s)
Perlita fina
Temperaturas altas ⇒
difusão em maiores 
distâncias ⇒ camadas mais 
espessas
(Menor difusão = camadas mais finas)
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Perlita Grosseira Perlita Fina
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A perlita se torna mais fina com a redução da temperatura de 
transformação.
Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação de 
agulhasde ferrita separadas por partículas alongadas de cementita. 
Esta estrutura é conhecida por bainita superior.
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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.
Perlita = estrutura lamelar
Bainita = agulhas ou placas
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A = austenita
P = perlita
B = bainita
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas
Perlita
Bainita
Taxa máxima
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Transformações perlíticas e bainíticas 
são concorrentes.
A taxa da transformação bainítica 
aumenta com o aumento da temperatura
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Cementita Globulizada
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. 
Cementita
Ferrita
Partículas esféricas 
reduzem a área dos 
contornos entre as 
fases!
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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.
carbono
ferro
Estrutura Tetragonal de Corpo Centrado (TCC)
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Transformação martensítica
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Transformação martensítica
‰ Não envolve difusão ⇒ transformação instantânea
menos de 0,6%p C ⇒ ripas mais de 0,6%p C ⇒ lentículas
‰ Duas diferentes microestruturas:
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Transformação martensítica
As linhas horizontais indicam 
que a transformação não 
depende do tempo. Ela é apenas 
uma função da temperatura de 
resfriamento! (transformação 
atérmica)
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide 
M (início)
Percentual de transformação 
de austenita em martensita
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Transformação martensítica
Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C, 
1,8% Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn
A presença de outros elementos além do carbono altera o 
diagrama de transformação isotérmica.
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‰ A maioria dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento contínuo 
até a temperatura ambiente ⇒ diagrama de transformação isotérmica 
não é mais válido. 
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! 
‰ No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas são deslocadas para 
tempos maiores e temperaturas menores. 
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Diagrama de transformação por 
resfriamento contínuo
Transformação por 
resfriamento contínuo
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide
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Diagrama de transformação por 
resfriamento contínuo
Resfriamento moderadamente rápido e resfriamento lento
Resfriamento 
moderadamente rápido 
(normalização)
Resfriamento lento 
(recozimento total)
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
Tempo (s)
transformação durante 
o resfriamento
Indica uma 
Início da 
transformação
Perlita
fina
Perlita
grosseira
Microestrutura
Com a continuidade do resfriamento a 
austenita não convertida em perlita se 
transforma em martensita ao cruzar a 
linha M (início)
M (início)
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Transformação por
resfriamento contínuo: taxa crítica 
de resfriamento.
Martensita
Martensita
+
Perlita 
Perlita
M (início)
Taxa crítica de resfriamento
= taxa mínima para produção de uma 
estrutura totalmente martensítica 
T
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
 
(
°
C
)
Tempo (s)
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Transformação por
resfriamento contínuo: taxa crítica 
de resfriamento para ligas.
A presença de outros 
elementos diminuem a taxa 
de resfriamento crítica.
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C 
A cementita é muito 
mais dura que a ferrita!
%p Fe3C
Limite de 
resistência à tração
Dureza Brinell
Limite de escoamento
Í
n
d
i
c
e
 
d
e
 
d
u
r
e
z
a
 
B
r
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n
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l
l
Composição (%p C)
L
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t
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t
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o
 
(
1
0
3
p
s
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)
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C 
Limite de escoamento = tensão mínima para provocar deformação plástica (permanente).
Limite de resistência à tração = tensão máxima suportada sob tração sem sofrer 
fratura.
Ex. Esfera de 10 mm
P
D d
Dureza Brinell
HB = 
    
2 2πD D- D -d
2P
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C 
A cementita é muito mais 
frágil que a ferrita!
Alongamento
Redução 
de área
E
n
e
r
g
i
a
 
d
e
 
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m
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c
t
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I
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-
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)
Composição (%p C)
D
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a
d
e
 
(
%
)
%p Fe3C
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C 
Perlita
fina
Perlita
grosseira
Composição (%p C)
Í
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c
e
 
d
e
 
D
u
r
e
z
a
 
B
r
i
n
e
l
l
A perlita fina é mais dura 
que a perlita grosseira!
‰ Existe forte aderência entre ferrita 
e cementita através dos contornos 
entre as fases α e Fe3C. Quanto maior a 
área superficial, maior a dureza.
‰ Os contornos de grão restringem o 
movimento de discordâncias. Assim, 
maior área superficial, maior dureza.
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Menor área de contorno de 
grãos por unidade de volume = 
menor dureza e maior ductibilidade
Cementita globulizada 
Composição (%p C)
Í
n
d
i
c
e
 
d
e
 
D
u
r
e
z
a
 
B
r
i
n
e
l
l Perlita
fina
Perlita
grosseira
Cementita
globulizada
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Comportamento mecânico das ligasFe-C
Bainita
Temperatura de transformaçao (°C)
Í
n
d
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c
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d
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d
u
r
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z
a
 
B
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c
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o
 
(
M
P
a
)Bainita Perlita
Partículas mais finas
Maior resistência
Maior dureza.
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita
A liga de aço mais dura,
mais resistente e
mais frágil!
Í
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c
e
 
d
e
 
d
u
r
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a
 
B
r
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l
l
Composição (%p C)
Martensita
Perlita fina
‰ A dureza está associada à
eficiência dos átomos de carbono 
em restringir o movimento das 
discordâncias.
‰ Como a austenita é mais 
densa que a martensita, ocorre 
aumento de volume durante a 
têmpera podendo causar trincas.
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida
‰ Após a têmpera, a martensita é tão frágil que não pode ser 
usada na maioria das aplicações.
‰ Pode-se melhorar a ductibilidade e a tenacidade da 
martensita com um tratamento térmico, o revenido.
‰ Revenido = aquecimento a temperaturas abaixo da 
temperatura eutetóide durante algum tempo seguido por 
resfriamento lento até a temperatura ambiente.
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
O revenido permite, através de processos de 
difusão, a formação da martensita revenida:
Martensita
(TCC, monofásica)
Martensita revenida
(α + Fe3C)
⇒
Tratamento
térmico
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida
(pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita)
CementitaFerrita
Martensita Lenticular
MartensitaAustenita
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida Cementita Globulizada
(9300X) (1000X)
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida
Martensita
Martensita revenida
a 371°C
D
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r
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z
a
 
B
r
i
n
e
l
l
Composição (%p C)
A martensita revenida é quase 
tão dura quanto a martensita!
A fase contínua de ferrita 
confere ductibilidade à martensita 
revenida
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Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida
D
u
r
e
z
a
 
R
o
c
k
w
e
l
l
C
D
u
r
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z
a
 
B
r
i
n
e
l
l
Tempo de tratamento (s)
Como o revenido envolve 
difusão do carbono, quanto 
maior a temperatura e/ou o 
tempo de tratamento, maior 
será a taxa de crescimento 
(=diminuição da área de 
contato entre os grãos) das 
partículas de Fe3C e, 
portanto, do amolecimento 
da martensita.
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Austenita
(ferrita CFC)
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Resumo
Perlita
(α + Fe3C)
Bainita
(α + partículas Fe3C
Martensita
(TCC)
Resfriamento
lento
Resfriamento
moderado
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita revenida
Reaquecimento