7-1-Transformacao de fases

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Transformações de Fases
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
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.
Núcleos
diminuem
Núcleos
crescem
Va
ri
aç
ão
 d
a 
en
er
gi
a 
liv
re
, 
G
Energia de livre de superfície 
GS = 4r2
(necessita de energia para criar a 
interface, desestabiliza os núcleos) 
Energia livre volumétrica
GV = 4/3 r3 G
(libera energia)
GT = GS + GV (energia livre total)
r* = raio crítico
= tensão superficial
G = energia livre / unidade de volume
Nucleação, crescimento e 
energia livre
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.
Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
Nucleação Crescimento
Logaritmo do tempo de aquecimento
Fr
aç
ão
 d
e 
tr
an
sf
or
m
aç
ão
y = fração de transformação 
k, n = constantes
t = tempo de aquecimento
y = 1- e-ktn (Equação de Avrami)
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
Fr
aç
ão
 d
e 
tr
an
sf
or
m
aç
ão r = 1t0,5
Cinética das Reações no 
Estado Sólido 
Influência da temperatura sobre a taxa de transformação
(Ex. recristalização do cobre)
Fr
aç
ão
 R
ec
ri
st
al
iz
ad
o 
(%
)
Tempo (min)
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
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.
Transformações multifásicas 
Transformações fora das condições de
equilíbrio ocorrem em temperaturas menores.
Super-resfriamento
Transformações multifásicas 
No aquecimento, o deslocamento se dá para
temperaturas mais elevadas.
Sobreaquecimento
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
  + Fe3C
resfriamento
aquecimento
 perlitaresfriamento
aquecimento
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
Po
rc
en
ta
ge
m
 d
e 
Pe
rli
ta
Tempo (s)
 Temperatura
 Taxa de transformação
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:
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (°
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 ?
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
Taxa de 
Nucleação
Taxa de 
Crescimento
Temperatura de transformação em equilíbrio
Taxa total de 
Transformação Te
m
pe
ra
tu
ra

Taxa 
(Difusão)
(Solidificação)
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas 
Temperatura constante ao longo de toda a transformação
Po
rc
en
ta
ge
m
 d
e 
au
st
en
it
a 
tr
an
sf
or
m
ad
a 
em
 p
er
lit
a
Tempo (s)
Início da 
transformação
Final da 
transformação
Temperatura da 
transformação 675 °C
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas “Reais”
Indica a ocorrência de 
uma transformação
Transformação 
austenitaperlita
Perlita 
grosseira
Temperatura eutetóideAustenita
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (°
C)
Tempo (s)
Perlita fina
Temperaturas altas 
difusão em maiores
distâncias  camadas mais
espessas
(Menor difusão = camadas mais finas)
Perlita Grosseira Perlita Fina
A perlita se torna mais fina com a redução da temperatura de
transformação.
Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação de
agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita.
Esta estrutura é conhecida por bainita superior.
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
A = austenita
P = perlita
B = bainita
Diagramas de Transformações 
Isotérmicas
Perlita
Bainita
Taxa máxima
Transformações perlíticas e bainíticas
são concorrentes.
A taxa da transformação bainítica
aumenta com o aumento da temperatura
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!
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)
Transformação martensítica
 Não envolve difusão  transformação instantânea
menos de 0,6%p C  ripas mais de 0,6%p C  lentículas
 Duas diferentes microestruturas:
Transformação martensítica
As linhas horizontais indicam
que a transformação não
depende do tempo. Ela é apenas
uma função da temperatura de
resfriamento! (transformação
atérmica)
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (°
C)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide 
M (início)
Percentual de transformação 
de austenita em martensita
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.
 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.
Diagrama de transformação por 
resfriamento contínuo
Transformação por 
resfriamento contínuo
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (°
C)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide
Diagrama de transformação por 
resfriamento contínuo
Resfriamento moderadamenterápido e resfriamento lento
Resfriamento 
moderadamente rápido 
(normalização)
Resfriamento lento 
(recozimento total)
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (°
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)
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
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (°
C)
Tempo (s)
Transformação por
resfriamento contínuo: taxa crítica 
de resfriamento para ligas.
A presença de outros
elementos diminuem a taxa
de resfriamento crítica.
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
Ín
di
ce
 d
e 
du
re
za
 B
ri
ne
ll
Composição (%p C)
Li
m
ite
 d
e 
es
co
am
en
to
 e
 r
es
is
tê
nc
ia
 à
 t
ra
çã
o 
(1
03
ps
i)
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
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C 
A cementita é muito mais 
frágil que a ferrita!
Alongamento
Redução 
de área
En
er
gi
a 
de
 im
pa
ct
o 
Iz
od
 (f
t-
lb
f)
Composição (%p C)
Du
ct
ib
ili
da
de
 (%
)
%p Fe3C
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C 
Perlita
fina
Perlita
grosseira
Composição (%p C)
Ín
di
ce
 d
e 
Du
re
za
 B
ri
ne
ll
A perlita fina é mais dura 
que a perlita grosseira!
 Existe forte aderência entre ferrita
e cementita através dos contornos
entre as fases  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.
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)
Ín
di
ce
 d
e 
Du
re
za
 B
ri
ne
ll Perlita
fina
Perlita
grosseira
Cementita
globulizada
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Bainita
Temperatura de transformaçao (°C)
Ín
di
ce
 d
e 
du
re
za
 B
ri
ne
ll
Li
m
ite
 d
e 
re
si
st
ên
ci
a 
à 
tr
aç
ão
 (M
Pa
)Bainita Perlita
Partículas mais finas
Maior resistência
Maior dureza.
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita
A liga de aço mais dura,
mais resistente e
mais frágil!
Ín
di
ce
 d
e 
du
re
za
 B
ri
ne
ll
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.
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.
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
O revenido permite, através de processos de
difusão, a formação da martensita revenida:
Martensita
(TCC, monofásica)
Martensita revenida
( + Fe3C)

Tratamento
térmico
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida
(pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita)
CementitaFerrita
Martensita Lenticular
MartensitaAustenita
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida Cementita Globulizada
(9300X) (1000X)
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida
Martensita
Martensita revenida
a 371°CDu
re
za
 B
ri
ne
ll
Composição (%p C)
A martensita revenida é quase 
tão dura quanto a martensita!
A fase contínua de ferrita
confere ductibilidade à martensita
revenida
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Martensita Revenida
Du
re
za
 R
oc
kw
el
l C
Du
re
za
 B
ri
ne
ll
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.
Austenita
(ferrita CFC)
Comportamento mecânico das ligas 
Fe-C
Resumo
Perlita
( + Fe3C)
Bainita
( + partículas Fe3C
Martensita
(TCC)
Resfriamento
lento
Resfriamento
moderado
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita revenida
Reaquecimento