aula 7: Engenharia de Materiais

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Introdução à Caracterização 
Processamento e Obtenção de Materiais 
(ICPOM)
Prof. Rogério N C de Siqueira
rnavarro@puc-rio.br
Objetivos da aula
• Revisão:
– Microestrutura e tratamentos térmicos.
– Diagramas de fases e limites de solubilidade.
– Ligas isomorfas:
• Evolução microestrutural e controle de 
propriedades.
• Ligas eutéticas:
– Evolução microestrutural e controle de 
propriedades.
• Aços ao carbono:
– Diagramas de fases e microestruturas típicas.
– Introdução aos tratamentos térmicos aplicados 
aos aços.
Engenharia de materiais
Microestrutura
• Estrutura a nível microscópico de um material, 
cuja caracterização envolve a determinação:
– Tipo e composição química dos grãos.
– Forma tamanho e geometria dos grãos.
• Grão = cristal.
• Fronteira entre dois grãos é denominada 
contorno de grão.
– A microestrutura pode ser manipulada 
via tratamentos térmicos e ou 
mecânicos (tensões).
2nm
Tratamentos térmicos e microestrutura
• Aquecimento e subsequente resfriamento do 
material. Durante o tratamento, mudanças de fase 
podem ocorrer:
– Fase = conjunto de grãos de mesma natureza e 
com mesmas propriedades físicas e químicas).
• Previsões via diagramas de fases.
– Forma, tamanho e distribuição dos cristais 
(arranjo microestrutural).
• Cinética das transformações de fase.
–Mecanismo atômico, difusão.
Diagramas de fases
• Mapa no espaço temperatura composição das 
condições de equilíbrio de um material:
– Quais fases (tipos de grão) se encontram 
presentes?
– Qual a composição química de cada grão?
– Qual o percentual mássico associado à cada 
fase?
• As propriedades de cada grão são função da 
sua composição química e natureza.
– As propriedades finais do material 
dependem da fração mássica de cada tipo 
de grão.
Soluções sólidas
• A rede cristalina característica do solvente “recebe” 
átomos do soluto.
• O soluto pode entrar:
– Posições da rede (substitucional) – Ex. Cr no Fe
– Vazios presentes na rede (intersticial) – Ex. C no 
Fe
• Depende do tamanho do soluto!
Limite de solubilidade
• Máxima concentração de soluto em uma 
solução em dada temperatura.
– Ultrapassando-se o limite de solubilidade uma 
outra fase (pura ou solução) se forma.
• Os limites de solubilidade determinam a forma 
do diagrama de fases.
– No que se refere aos limites para soluções 
sólidas, as ligas metálicas se dividem em:
• Ligas com solubilidade plena.
• Ligas com solubilidade parcial.
• Ligas com imiscibilidade plena.
–Diferença entre propriedades físicas e 
químicas dos metais constituintes.
Ligas isomorfas
• Solubilidade plena no estado sólido:
– Similaridade físico-química (Ex. Cu – Ni, 
Ag – Au. Ta - Nb).
Evolução microestrutural
• Microestrutura final similar a um metal puro:
– Grãos de um mesmo tipo/natureza formados 
via nucleação e crescimento.
• A composição química de cada grão é igual 
à composição global da liga.
Propriedades de ligas isomorfas
• Efeito da composição química:
– Embora se tenha um único tipo de grão, 
alterando-se a composição química, alteram-
se as propriedades.
• Efeito da taxa de resfriamento:
– Taxas mais elevadas resultam em grãos 
menores.
• Mais núcleos se formam durante o 
processo.
–Pode ser revertido via revenido.
»Crescimento dos grãos em 
temperaturas elevadas.
Ligas eutéticas
• Algumas ligas formam para certa composição (ponto 
eutético) uma liga eutética:
– Temperatura de fusão/solidificação única, inferior a dos 
metais isolados:
• L => alfa + beta (transformação eutética).
• O ponto eutético, assim como a isoterma eutética, são 
característicos de cada liga.
– Função das propriedades físicas dos metais presentes.
• Em qualquer ponto da isoterma eutética teremos 3 fases 
em equilíbrio (alfa, beta e L) com composição química 
fixa.
– Há a possibilidade de haver dois tipos de grão no 
estado sólido.
» Interessante para manipular propriedades.
– Transformações no estado sólido são possíveis.
Liga Pb - Sn
• Liga eutética:
– Composição global igual a composição do 
ponto eutético.
• L => alfa + beta (reação eutética).
• Ligas hiper e hipoeutéticas:
– Composição global a esquerda e à direita do 
ponto eutético.
• Pode-se cruzar ou não a isoterma eutética.
–Se cruzar a isoterma (L => alfa ou L => 
beta e L => alfa + beta).
–Se não cruzar a isoterma (L => alfa ou L 
=> beta, alfa => beta ou beta => alfa)
Propriedades de ligas eutéticas
• Controle da composição química:
– % e composição química de alfa e beta 
mudam.
• Cada fase tem propriedades características.
• Controle da taxa de resfriamento:
– Maior taxa, mais núcleos e grãos menores.
• Pode ser revertido via revenido somente nas 
ligas “extremas”.
–Fases não “amarradas” pela regra da 
alavanca.
»Recristalização de alfa ou beta.
Transformações no estado sólido
• A difusão no estado sólido é mais lenta. 
– Transformações no estado sólido são mais 
sensíveis à taxa de resfriamento. 
• O avanço da transformação pode ser 
limitado, elevando-se a taxa.
• A natureza da precipitação pode mudar:
– Intragranular ou intergranular.
Diagrama Fe-C
• Estruturas cristalinas do ferro:
– Alfa (ferrita)- CCC.
– Gama (austenita) – CFC.
– Delta – CCC.
• Presença de carbono:
– Soluções sólidas intersticiais (austenita e 
ferrita) com baixo limite de solubilidade.
• Formação de grafite ou Fe3C.
–Depende do resfriamento:
»Lento – grafite.
»Rápido (ex. ao ar) – Fe3C.
Aços eutetóide
• Teor de C igual a 0.76%.
• A única transformação a partir do campo 
austenítico é a transformação eutetóide.
– γ = α + Fe3C.
• Transformação no estado sólido via 
nucleação e crescimento. 
–Lamelas alternadas de ferrita e 
cementita (perlita).
• Ao final do resfriamento tem-se:
–%alfa = 88,5%, %Fe3C =11,5%.
Aço hipoeutetóide
• Teor de carbono inferior a 0.76%.
• Duas transformações a partir do campo 
austenítico:
– Gama = alfa
– Gama = alfa + Fe3C (reação eutetóide).
• Ambas no estado sólido via nucleação e 
crescimento.
–Para 0.4% de C ao final do resfriamento, 
tem-se perlita + ferrita:
» %alfa =94%, %Fe3C =6%.
Aços hipereutetóide
• Teor de carbono superior a 0.76%.
• Duas transformações são esperadas:
– Gama = Fe3C.
– Gama = alfa + Fe3C (reação eutetóide).
• Ambas no estado sólido via nucleação e 
crescimento.
–Para 1.4% de C, ao final do 
resfriamento, tem-se Perlita + Fe3C:
»%alfa =79.1, %Fe3C =20.9.
Aços ao carbono
• Resistência mecânica é função do % de C:
– Formação de Fe3C:
• Eutetóide (0.76% de C).
• Hipoeutetóide (ex. 0.4% de C).
• Hipereutetóide (ex. 1.4% de C).
Tratamentos térmicos para aços
• Austenitização e resfriamento:
– Efeitos microestruturais:
• Tamanho de grão.
• Forma dos grãos.
• % das fases formadas e formação de 
martensita (desvios do equilíbrio).
–Os efeitos dependem dos % dos 
elementos de liga em aços especiais.
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	Objetivos da aula
	Engenharia de materiais
	Microestrutura
	Tratamentos térmicos e microestrutura
	Diagramas de fases
	Soluções sólidas
	Limite de solubilidade
	Ligas isomorfas
	Evolução microestrutural
	Propriedades de ligas isomorfas
	Ligas eutéticas
	Liga Pb - Sn
	Propriedades de ligas eutéticas
	Transformações no estado sólido
	Diagrama Fe-C
	Aços eutetóide
	Aço hipoeutetóide
	Aços hipereutetóide
	Aços ao carbono
	Tratamentos térmicos para aços