CM_IME_Cap_10_Transformação de Fases

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Cap. 10 Transformação de Fases
Efeito de Memória de Forma em uma liga que sofre transformação martensítica
Tipos de Transformações
As transformações de fases podem, preliminarmente, ser divididas com relação ao estado da matéria
sólido  líquido  gasoso
Na engenharia, as transformações envolvendo somente fases sólidas, também chamadas reações no estado sólido, têm mais interesse prático.
As transformações ou reações no estado sólido podem ser subdivididas em difusionais e adifusionais.
Exemplos de Transformações Difusionais no Estado Sólido
Envolvem movimentos atômicos de longo alcance
		- Recristalização
		- Crescimento de grãos
		- Precipitação de 2ª fase
		- Reações eutetóide e peritetóide
Reação eutetóide no aço
Exemplos de Transformações Adifusionais no Estado Sólido
Envolvem apenas movimentos atômicos de curto alcance
		- Transformação alotrópica
		- Maclação
		- Transformação martensítica
Transformação martensítica 
no aço
Cinética de Transformações Difusionais
Enquanto as transformações adifusionais envolvem um tempo muitíssimo curto ( quase instantâneo) de movimentos atômicos de curta distância (d< parâmetro da rede), as transformações difusionais dependem de um tempo para completar suas duas etapas, nucleação e crescimento, da nova fase.
Exemplo da Cinética de Recristalização
Curvas de Avrami para a recristalização de cobre em diversas temperaturas
Nucleação Homogênea
A variação da energia livre total (GT) para uma nova fase esférica é função da:
 variação das energia volumétricas entre fases, G , negativa (cedida) para ocorrer a transformação.
 energia interfacial, , sempre positiva (absorvida)
GT = 4/3 r3 G + 4r2 
Exemplo de Precipitado ao se Resfriar uma Liga Através da Linha Solvus
Raio Crítico para Nucleação
Se um aglomerado atômico com a estrutura da fase  formar-se com um raio inferior ao crítico, r*, ele irá dissolver-se sem nucleação.
Por outro lado, se um aglomerado  atingir o r* então ocorrerá nucleação estável da fase  seguida de crescimento
			raio crítico 
			energia livre crítica
Efeito da Temperatura na Nucleação
Variação da taxa de nucleação dN/dt com a temperatura
Nucleação Heterogênea
A barreira energética para nucleação homogênea é diminuída quando os aglomerados se formam sobre superfícies.
Nesta nucleação heterogênea, três energias interfaciais são envolvidas
O raio crítico, r*, e a variação crítica para a nucleação heterogênea serão
Crescimento da Nova Fase
O crescimento da partícula de uma nova fase após a nucleação ocorrerá basicamente por difusão atômica. 
Assim, a taxa de crescimento, Ġ= dG/dt decorre da difusão e sua dependência com a temperatura é termicamente ativada através da equação de Arrhenius.
Tf
A Taxa de Transformação Global
Abaixo da temperatura de transformação, Tf , a ocorrência da nucleação e do crescimento gera uma taxa de transformação global. 
Para temperaturas (mais altas) próximas de Tf , a taxa global é regida pela taxa de crescimento e o tempo para difusão é menor.
Para temperaturas (mais baixas) longe de Tf , a taxa global é regida pela taxa de nucleação e o tempo para formar o núcleo é menor.
A Curva Temperatura-Tempo-Transformação (TTT)
Como a taxa é o inverso do tempo, pode-se ter uma curva relacionando a temperatura e o tempo por simples inversão da taxa global.
Nesta curva TTT o processo mais lento é o que comanda a transformação:
Nucleação: comanda a altas temperaturas
Difusão: comanda a baixas temperaturas
O ponto intermediário, de transformação mais rápida, é denominado “joelho” da curva TTT.
Cinética de Transformação nos Aços
A transformação eutetóide (T<727°C) nos aços por nucleação heterogênea da cementita nos contornos da austenita também segue a equação de Avrami.
Acima de 540° até 727°C a transformação de austenita () em perlita (P) é comandada pela nucleação. Assim, os tempos de “incubação” de núcleos de cementita aumentam com a temperatura. 
Curva TTT do Aço Eutetóide
Têmpera + resfriamento isotérmico
Curva TTT dos Aços
Hipereutetóide
Hipoeutetóide
Patamar 
 eutetóide
Microestrutura de Transformação 
TTT dos Aços
Curva CCT por Resfriamento Contínuo
Perlita
grosseira
Perlita
fina
Comparação entre Curvas TTT e CCT
Transformação Bainítica nos Aços
A temperaturas abaixo do “joelho” (T<540°C), a difusão é lenta e a cementita transformada não forma lamelas mas pequenas partículas alongadas. 
Resistência superior.
Transformação Martensítica
A partir de , uma têmpera suficientemente rápida impede a transformação difusional da austenita para perlita ou bainita.
No aço eutetóide, abaixo de 215°C, forma-se uma fase metaestável denominada martensita.
Têmpera suficientemente rápida
A Fase Martensita
A martensita (M) corresponde a uma transformação adifusional na qual a estrutura cristalográfica CFC da austenita não consegue chegar até ferrita CCC. Isto é conseqüência da permanência dos átomos de carbono que não se difundem devido à têmpera rápida.
A martensita terá uma estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC) metastável altamente tensionado em virtude da presença dos átomos de carbono.	 
Distorção de Bain
CFC
TCC
CCC
Austenita
Martensita
Efeito de Elementos de Liga nas Curvas TTT e CCT
Aços-liga podem apresentar sensíveis alterações nas curvas TTT e CCT em comparação com as dos aços carbono.
Curva TTT para um aço 4340 (Cr-Ni-Mo).
Em relação a um aço 1040, a “baia” da austenita é muito mais extensa.
Taxas Críticas de Resfriamento
A temperabilidade de um aço, ou seja, sua capacidade de endurecer durante uma rápida têmpera depende da taxa crítica de resfriamento.
Aço carbono
Aços liga
Transformação por Precipitação
O resfriamento de uma liga já sólida de um campo monofásico () para um campo bifásico ( + ) promove a precipitação de  por difusão atômica.
Composição (%p B)
Temperatura 
Formação de Precipitados em Liga de Alumínio
Precipitados semi-coerentes. 
Máximo endurecimento
Natureza Termicamente Ativada da Precipitação
Para cada temperatura de precipitação, ocorrerá um pico na resistência (dureza) e na ductilidade.
O tempo correspondente ao pico varia termicamente ativado com a temperatura:
t = A exp (-Q/RT)
Cementita Globulizada
A perlita pouco dúctil devido às lamelas de cementita quase contínuas, pode ser transformada em esferoidita (cementita globulizada).
Como fase dispersa na macia ferrita, a estrutura da cementita globulizada torna-se muito dúctil.
A esferoidização é realizada em temperaturas pouco abaixo do patamar eutetóide por longo tempo (Ex.: 700°C por um dia).
Propriedade dos Aços-Carbono em Função da Microestrutura
Problema Prático da Martensita
A martensita formada por têmpera é muito dura devido à elevada densidade de discordâncias ( = 1016 /m2) geradas para acomodar o elevado estado de tensões devido à imobilidade dos átomos de carbono durante a distorção de Bain.
Esta elevada dureza acarreta grande fragilidade. Isto torna a martensita “desvairada” dos aços pouco utilizada na prática. 
Outras ligas como o In-Th apresentam transformação martensítica “comportada”.
Martensita no Indio-Talio
A martensita “comportada” do In-Th transforma-se através da nucleação de maclas. 
Transformação martensítica por maclação no In-Th.
Dureza da Martensita
Martensita Revenida
Por ser metaestável, a estrutura TCC da martensita pode evoluir para CCC, caso seja permitido aos átomos de carbono difundirem-se formando carbonetos entre 200 e 600°C.
Micrografia eletrônica de martensita revenida a 594°C 
(9300 x de aumento)
Características da Martensita Revenida
O tempo revenido vem do francês “revenue” e significa retorno.
Em inglês, revenido se traduz como “temper” que não deveser confundido com têmpera, que em inglês é “quench”.
O revenido a baixas temperaturas (200<T<400°C) gera carbonetos finos do tipo Fe26C3. A temperaturas mais altas (400<T<600°C) forma-se cementita Fe3C.
Quanto menor a temperatura de revenido, mais refinada será a microestrutura e, conseqüentemente, mais resistente o aço.
Influência do Tempo de Revenido
Transformações por Resfriamento da Austenita
No aço, muitos tratamentos iniciam com a austenitização, ou seja, manter por certo tempo, t, a peça no campo  do diagrama de fases.
Dependendo de t e T, após a transformação por resfriamento, o aço terá diferentes propriedades.
Para aços contendo Mn, Ni ou Cr juntamente com pequenas quantidades de Sb, P, As or Sn, poderá ocorrer fragilização por revenido entre 375 e 575°C.
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