AULA 5 - DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO DE FASES E TRATAMENTOS TÉRMICOS - PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

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AULA 5 - DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO DE FASES E TRATAMENTOS TÉRMICOS 
PRINCÍPIOS DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
Olá! Seja bem vindo!
Nas aulas anteriores, aprendemos que o conceito fundamental da ciência dos materiais é que as propriedades dos materiais seguem suas estruturas atômica e microscópica.
 A dependência das propriedades mecânicas com a estrutura em escala atômica foi vista nas aulas 2 e 3. 
Para se observar a natureza das muitas propriedades sensíveis à microestrutura dos materiais de engenharia, precisaremos estudar como a microestrutura é desenvolvida.
Uma ferramenta importante nesse estudo é:
Diagrama de fases: Mapa que nos guiará na resposta à pergunta geral:
Que microestrutura deverá existir em determinada temperatura para determinada composição do material?
Essa é a questão com uma resposta específica, baseada, em parte, na natureza de equilíbrio do material.
A discussão sobre desenvolvimento microestrutural por meio de diagramas de fases, começa com a:
Regra das fases: Identifica o número de fases microscópicas associadas a determinada (...)
Condição de estado: Um conjunto de valores para temperatura, pressão e outras variáveis que descrevem a natureza do material.
Depois, descreveremos os diversos diagramas de fases característicos para sistemas de materiais típicos. Especificamente, desejaremos identificar a composição e a quantidade de cada fase presente.
A regra da alavanca será usada para quantificar nossa interpretação desses diagramas de fases.
Com essas ferramentas em mãos, poderemos ilustrar casos típicos de desenvolvimento microestrutural. 
Os diagramas de fases para diversos materiais de engenharia comercialmente importantes. 
A discussão mais detalhada é reservada para o diagrama do Fe – Fe3C, que é a base para grande parte da indústria do ferro e do aço.  
Fundamentos
 Os materiais metálicos de uma maneira geral têm a característica de alterar suas propriedades em função do tamanho de Grão, da presença de partículas de segunda fase em sua microestrutura, por encruamento e por tratamento térmico. Em relação a esta última, como vimos nos capítulos anteriores, o desenvolvimento de uma microestrutura envolve normalmente algum tipo de transformação de fase, sendo a maioria no estado sólido, não ocorrendo instantaneamente.
Existe uma dependência direta do progresso da transformação em relação ao tempo, ou seja, o conceito de taxa de resfriamento é considerado importantíssimo para leitura das fases presentes, pois agora não estamos mais falando em resfriamento em equilíbrio. 
Para entendermos bem esses conceitos utilizaremos os Diagramas de Transformação de Fases, que é uma maneira prática de representar a dependência da transformação com o tempo em relação à temperatura. 
A figura a seguir apresenta um diagrama de transformação de fase típico, onde o eixo vertical representa as temperaturas e o horizontal o logaritmo do tempo.
 Duas curvas contínuas estão plotadas, uma representa o tempo necessário a cada temperatura para início da transformação e a outra curva o final da transformação. A curva tracejada corresponde a um estado com 50% da transformação concluída. 
Diagrama de Transformações Isotérmicas e de Resfriamento Contínuo.
Observe a fig. 1, sem se preocupar com o nome dos microconstituintes Perlita e Martensita. Fica claro que o aparecimento desses está diretamente relacionado com a taxa de resfriamento que o material foi submetido.
Fig. 2 Diagrama de Transformação de Fases evidenciando o microconstituinte formado em função do tempo de resfriamento
Pra que servem Tratamentos Térmicos de Materiais?
Finalidade: Alterar as microestruturas e como consequência as propriedades mecânicas dos materiais.
Objetivos: 
Remoção de tensões
Remoção ou diminuição da dureza; Da resistência mecânica; remoção
Remoção da ductilidade; da usinabilidade; da resistência ao desgaste; as propriedades de corte; da resistência à corrosão; da resistência ao calor; das propriedades elétricas e magnéticas.
Não esqueça!
Material + Tratamento Térmico: É parte integrante da especificação do produto
A importância do processo industrial 
Um aço eutetóide (0,76%C) pode ter sua resistência mecânica alterada de 700 MPa para 2000 MPa por simples modificação na velocidade de Resfrimento a partir da zona crítica ou da Linha A1. 
Pense praticamente, estamos afirmando que um material (aço carbono), com uma determinda área resistente suporta 700MPa de tensão atuante, essa mesma área passará a suportar 2000MPa, só porque esse material foi tratado termicamente.
Como agora voce já conhece o que é uma Estrutura Cristalina, observe como ela se comporta com variação da velocidade de resfriamento lento para rápido.
Compare as estruturas de início e fim do ciclo e entenda o motivo da brusca alteração das propriedades mecânicas do exemplo em que o material é um aço.
Diagramas de transformações isotérmicas
Para entendermos melhor os diagramas de transformação de fases vamos utilizar as ligas de aço por ser o material de maior utilização industrial.
Curvas Temperatura – Tranformação – Tempo (TTT)
O diagrama de transformação isotérmica ou diagrama TTT é obtido pelo resfriamento da austenita a temperaturas constantes e sua transformação determinada ao longo do tempo.
Não esqueça que estamos usando como exemplo uma liga de Aço, logo utilize o Diagrama FeC para entender melhor os microconstituintes descritos.
Leitura do percurso do processo de Tratamento Térmico descrito pelos pontos ABCD.
Aquecemos o material até acima da temperatura de 727ºC, ponto A, para haver transformação de fase.
Resfriamos rapidamente o material até a temperatura do ponto B e a mantemos constante.
A isoterma sai do ponto B, encontra o ponto C (localizado no início da transformação) e se mantem constante, passa pelo ponto 50% até encontrar o ponto D (localizado no final da transformação).
A passagem pelo ponto D indica que a transformação de fases está completa. (Ou seja,não haverá mais nenhuma transformação para qualquer que seja a taxa de resfriamento aplicada ao material até a temperatura ambiente).
Dureza dos microconstituintes 
Raciocine agora com a dureza dos microconstituintes obtida após o resfriamento, que no exemplo anterior temos presente a Austenita e a Perlita. 
Não esqueça que quanto maior a Dureza do material, maior será sua Resistência Mecânica e menor a Resistência ao Impacto. 
Para facilitar seu entendimento vale lembrar que a Austenita é instável na temperatura ambiente, ou seja ela será transformada em outras fases dependendo do tipo de resfriamento aplicado. 
No exemplo o resfriamento foi moderado e o microconstituinte resultante foi a Perlita com dureza 200-250HB, caso o resfriamento tivesse sido rápido o produto transformado seria a Martensita com dureza 500-650HB
(HB) 
• Austenita : 300 
• Ferrita : 80
• Perlita : 200-250 
• Cementita : 700
• Martensita : 500-650 
• Bainita : 400-500 
• Martensita Revenida : 250-400
Fatores que influenciam os tratamentos térmicos
Tempo: 
O tempo depende diretamente das dimensções da peça e da microestrutura desejada.
Quanto maior o tempo, maior a segurança da completa dissolução das fases para posterior trasnformação;
Maior será o tamanho de grão;
Importante: O tempo referenciado é o tempo de permanência do material em temperaturas que existem transformações de fase. Podemos dar como exemplo as ligas de aço.
Temperatura:
Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada.
Velocidade de resfriamento:
Depende do tipo de material e da transformação de fase ou microestrutura desejada;
Determina o tipo de microestrutura final do material.
Principais meios de resfriamento:
Ambiente do forno (+brando); Ar; 
Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de Pb); Óleo; Água; Soluções aquosas de NaOh, Na2CO3ou NaCl (+ severos).
Como escolher o meio de resfriamento?
É compromisso entre: Obtenção das características finais desejadas (microestruturas + propriedades), integridade da peça, acúmulo de concentração de tensões.
Atmosfera:
Para evitar a oxidação ou perda de de algum elemento químico (ex: descarbonetação dos aços)
Entendimento das Linhas Ms (Martensita Superior) e Mi (Martensita inferior)
 Nossos conhecimentos em Diagramas TTT serão complementados a seguir com o entendimento das linhas Ms (Martensita Superior) e Mi (Martensita inferior).
Estamos agora introduzindo no Diagrama TTT as linhas MS e Mi , a linha tracejada que separa os microconstituintes Perlita e Bainita e o Cotovelo da Curva.
Observe o diagrama e considere que voce tem um aço aquecido acima de A1, lembre-se do exemplo estudado anteriormente, onde resfriamos o material lentamente passando pelas curvas de início e fim de transformação, tendo como produto final o microconstituinte Perlita.
Agora imagine que voce irá resfriar esse mesmo material de forma mais rápida, ou seja sem tocar as linhas de início e fim de transformação, que praticamente se diz que houve um resfriamento sem tocar o Cotovelo da curva. 
Observe que vamos encontrar as Linhas MS e Mi e como conseqüência obteremos o produto final Martensita. No exemplo dado anteriormente, o resfriamento foi moderado e o microconstituinte resultante foi a Perlita com dureza 200-250HB, camo o resfriamento foi rápido o produto transformado é a Martensita com dureza 500- 650HB, fato que altera significativamente as propriedades mecânicas desse material.
Diferença de resfriamento isotérmico e contínuo no diagrama de transformação de fases
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