Aula 13 - Transformações de Fases

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UFR
Disciplina: Ciência dos Materiais
1°Semestre de 2019
Professora: Dra. Vanessa Motta Chad
E-mail: vanessamotta@ufmt.br
Transformações de Fases
Diagramas TTT
Diagramas TRC
➢ A maioria das transformações de fases exige um tempo finito para
atingir a sua conclusão e a velocidade ou a taxa com que ocorrem é, com
frequência, importante na relação entre o tratamento térmico e o
desenvolvimento da microestrutura.
➢ Uma limitação dos diagramas de fases consiste na sua incapacidade em
indicar o tempo que é necessário para que o equilíbrio seja atingido.
➢ A taxa de aproximação do equilíbrio para sistemas sólidos é tão lenta
que estruturas em verdadeiro equilíbrio raramente são atingidas.
➢ São mantidas condições de equilíbrio somente quando o aquecimento
ou o resfriamento é executado utilizando taxas extremamente lentas.
TRANSFORMAÇÕES DE FASES
DIAGRAMAS TTT
➢ Nos diagramas de equilíbrio o tempo de transformação é desprezado,
pois para se obter as fases termodinamicamente estáveis é necessário
que a transformação ocorra de forma lenta, permitindo que o equilíbrio
termodinâmico em função da composição e da temperatura seja mantido.
➢ Os Diagramas TTT (Transformação-Tempo-Temperatura)
descrevem o início e o final de uma reação (transformação) a uma
dada temperatura, em função do tempo, isto é, descrevem a cinética
da reação.
➢ A maioria das transformações no estado sólido não ocorre
instantaneamente, mas necessita de algum tempo para que possa
ocorrer.
DIAGRAMAS TTT
➢ Limitações dos diagramas TTT
1 – Cada liga possui um diagrama TTT correspondente, assim um
diagrama TTT para um aço com composição eutetóide é válido
somente para esta composição, para outras composições, as
curvas terão configurações diferentes.
2 – Esses gráficos são precisos somente para os casos de
transformações em que a temperatura da liga é mantida constante
ao longo de toda a duração da reação.
▪ As condições de temperatura constante são conhecidas por
isotérmicas, devido a isso esses gráficos também são
conhecidos por Diagramas de Transformações Isotérmicas.
+
+L
0,17
0,008
0,09
CFC
CCC
F
ra
ç
ã
o
 d
a
 t
ra
n
s
fo
rm
a
ç
ã
o
, 
y
Logarítmo do tempo de 
aquecimento, t
Nucleação Crescimento
TRANSFORMAÇÕES NO ESTADO SÓLIDO
➢ Comportamento cinético típico para a maioria das reações
em estado sólido
1 - Nucleação, que consiste na
formação de partículas, ou núcleos,
muito pequenos da nova fase, as quais
são capazes de crescer.
2 - Crescimento ao longo do qual os
núcleos aumentam de tamanho,
durante esse processo, uma parte do
volume da fase original desaparece.
▪ A transformação atinge seu término
se for permitido que o crescimento das
partículas da nova fase prossiga até
que a proporção em condições de
equilíbrio seja atingida.
DIAGRAMAS TTT
➢ Demonstração de como
um diagrama de
transformação isotérmica
(parte inferior) é gerado a
partir de medições da
porcentagem da
transformação em função do
logarítmo do tempo (parte
superior), para um aço com
composição eutetóide
(0,76%p C).
Tempo (s)
Tempo (s)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°C
)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°F
)
P
o
rc
e
n
ta
g
e
m
 d
a
 
a
u
s
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n
it
a
 t
ra
n
s
fr
o
m
a
d
a
 
e
m
 p
e
rl
it
a
Curva de início 
(0% de perlita)
Curva de conclusão 
(100% de perlita)
Curva de 50% de conclusão 
(50% de perlita)
Temperatura eutetóideAustenita estável
Austenita instável
Final da transformação
Início da 
transformação
Temperatura de 
transformação 675°C
675°C
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
Tempo (s)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°C
)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°F
)
Ferrita 
Perlita gosseira
Temperatura eutetóide
Austenita estável
Perlita fina
Transformação 
austenita →perlita
727°C
Fe3C
1 dia1 h1 min1 s
Indica que a transformação 
está ocorrendo
➢ Perlita grosseira: Camadas relativamente espessas, tanto da fase ferrita 
como da fase Fe3C. Em temperaturas mais altas, as taxas de difusão são mais
elevadas, de tal modo que durante a transformação os átomos de carbono podem
se difundir ao longo de distâncias relativamente longas, o que resulta na formação
de lamelas grossas.
Perlita Grosseira
➢ Perlita Fina: Com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão do carbono
diminui e as camadas se tornam progressivamente mais finas. Essa estrutura com
camadas finas é produzida na vizinhança de 540°C.
Perlita Fina
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
P: Perlita
A: Austenita
B: Bainita
➢ Diagrama de transformação
isotérmica para uma liga ferro-
carbono com composição
eutetóide, incluindo as
transformações da austenita
em perlita e da austenita em
bainita.
Tempo (s)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°C
)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°F
)
Temperatura eutetóide
Bainita inferior
Bainita superior
Perlita grosseira
Perlita fina
Austenita
Austenita
Austenita
50%0% 100%
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
➢ Bainita: Como ocorre com a perlita, a microestrutura de cada uma das
bainitas (superior e inferior) consiste nas fases ferrita e cementita,
entretanto, seus arranjos são diferentes da estrutura lamelar alternada
encontrada na perlita.
➢ Dependendo da temperatura de
transformação, dois tipos de
bainita são observados:
→ Bainita superior
→ Bainita inferior
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
➢ Bainita Superior: Para temperaturas entre aproximadamente 300 e
540°C a bainita se forma como uma série de ripas paralelas (isto é, tiras
finas e estreitas) ou agulhas de ferrita que se encontram separadas por
partículas alongadas da fase cementita.
Martensita
Cementita
Ferrita
→ Observação:
▪ Neste exemplo a fase
que está em volta da
bainita é a martensita.
▪ Na microestrutura
apresentada parte da
austenita se
transformou em bainita
e parte em martensita.
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
➢ Bainita inferior: Em temperaturas mais baixas, entre aproximadamente
200 e 300°C, a bainita inferior é o produto da transformação. Na bainita
inferior, a fase ferrita existe na forma de placas finas e partículas estreitas
de cementita (na forma de bastões ou lâminas muito finas) se formam no
interior das placas de ferrita.
Martensita
Cementita
Ferrita
→ Observação:
▪ Na microestrutura
apresentada parte da
austenita se transformou
em bainita e parte em
martensita.
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
REGIÃO DE TRANSIÇÃO ENTRE PERLITA E BAINITA
Diagrama TTT para um aço eutetóide 
mostrando a região de transição entre a 
perlita e a bainita.
➢ No diagrama TTT de um aço eutetóide há uma região de
transição em que existe tanto perlita como bainita.
Diagrama TTT completo para um aço com composição eutetóide
P: Perlita
A: Austenita
B: Bainita
M: Martensita
➢ Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com
composição eutetóide (0,76%p C), incluindo todas as transformações:
➢ Martensita: é formada quando ligas Fe-C austenitizadas são resfriadas
rapidamente (ou temperadas) até uma temperatura relativamente baixa (na
vizinhança da temperatura ambiente).
→ Austenitização: Aquecimento da liga Fe-C em temperaturas dentro
do campo de fases em que só há austenita () (acima de 727°C) por
tempo suficiente para que exista somente austenita na microestrutura.
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
→ A martensita é monofásica, com
estrutura tetragonal de corpo centrado
(a = b  c;  =  =  = 90°), que não se
encontra em equilíbrio, resultante de uma
transformação da austenita.
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
➢ Na transformação martensítica o resfriamento do material é muito
rápido, não ocorrendo a difusão do carbono.
➢ Essa transformação ocorre quase instantaneamente, dessa
forma, a taxa de transformação martensítica, para todas as
finalidades práticas, é independente do tempo.
➢ Sendo uma fase fora de equilíbrio, a martensita não aparece no
diagrama Fe-Fe3C.➢ Dependendo do teor de carbono, a martensita pode ser:
→ Em ripa
→ Lenticular ou em placas
Blocos
Ripas
Blocos
➢ Martensita em ripa: para ligas Fe-C que contêm menos do que
cerca de 0,6%p C, os grãos de martensita se formam como ripas,
isto é, placas longas e finas, lado a lado, alinhadas paralelamente
umas com as outras.
➢ Além disso, essas ripas estão agrupadas em entidades
estruturais maiores, conhecidas por blocos.
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
➢ Martensita lenticular ou em placas: é encontrada em ligas Fe-
C que contêm mais do que cerca de 0,6%p C.
➢ Com essa estrutura os grãos de martensita adquirem uma
aparência em forma de agulha (isto é, lenticular).
Os grãos com formato de agulha 
são a fase martensita, enquanto as 
regiões em branco representam a 
austenita que não se transformou 
durante o processo de resfriamento 
rápido (têmpera) ampliação de 
1220x.
Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
RELAÇÃO ENTRE MICROCONSTITUINTE E DUREZA
Perlita grosseira
Perlita fina
Bainita superior
Bainita inferior
INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA
➢ A presença de outros elementos de liga além do carbono (por
exemplo: Cr, Ni, Mo e W) pode causar alterações significativas nas
posições e nas formas das curvas nos diagramas de transformação
isotérmica (TTT).
➢ Essas alterações incluem:
1 – deslocamento do joelho da transformação isotérmica da
austenita em perlita para tempos mais longos (e também do
joelho da fase proeutetóide, caso tal seja existente).
2 – a formação de um joelho separado para a bainita.
INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA
Diagrama TTT para um aço-liga (ABNT4340)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°C
)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°F
)
Temperatura eutetóide
Austenita
Austenita
F+P
B
A+B
A+F
A+F+
P
50%
Martensita+Austenita
M (Início)
M (50%)
M (90%)
Martensita
Tempo (s)
F: Ferrita 
P: Perlita 
A: Austenita 
B: Bainita
→ Composição química do aço 
ABNT 4340 (% em peso):
C: 0,37-0,43% Si: 0,15-0,35%
Mn: 0,60-0,80% Cr: 0,70-0,90%
Mo: 0,20-0,30% Ni: 1,65-2,00%
S  0,025%
➢ O aço ABNT 4340 é
utilizado, por exemplo, na
fabricação de virabrequins
para tratores, engrenagens e
eixos.
EFEITOS DA SEÇÃO DA PEÇA
➢ A velocidade de resfriamento é afetada pela seção da peça, pois o
interior das peças de maior espessura se resfria mais lentamente que a sua
superfície.
→ Quando o resfriamento é realizado em água (meios mais drásticos),
a superfície esfria com velocidade superior à do centro, ou seja, a
superfície adquire a estrutura martensítica e, portanto, a máxima
dureza.
→ No centro da peça, uma parte da austenita se transformou em
perlita e a outra parte se transformou em martensita, ou seja, o centro
adquire, em parte dureza máxima.
Representação esquemática
do efeito da seção da peça
sobre a velocidade de
resfriamento em meios
diferentes.
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
DIAGRAMAS TRC
➢ A maioria dos tratamentos térmicos para os aços envolve o
resfriamento contínuo até a temperatura ambiente.
➢ As transformações dos aços nos processos industriais em sua
maioria ocorrem por resfriamento contínuo e não isotermicamente.
Em vista disso, foram desenvolvidos os diagramas TRC.
➢ Diagrama TRC (Transformação por Resfriamento Contínuo):
Um gráfico contendo as curvas modificadas para início e término da
reação de transformação.
➢ No resfriamento contínuo é possível controlar a taxa de
resfriamento, dependendo do meio de resfriamento utilizado.
Superposição dos TTT e transformação por TRC para um aço 
com composição eutetóide.
Austenita Temperatura eutetóide
M (Início)
M (50%)
M (90%)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°C
)
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
°F
)
Transformação por 
resfriamento 
contínuo
Tempo (s)
Curvas de resfriamento moderadamente rápido e de resfriamento lento 
superpostas sobre um diagrama TTT para um aço com composição eutetóide
Resfriamento
lento: no interior
do forno
Resfriamento
moderadamente
rápido: ao ar
DIAGRAMAS TRC
➢ Normalmente, a bainita não irá se formar quando uma liga com
composição eutetóide (0,76%p C) ou para qualquer aço comum ao carbono
for resfriado continuamente até a temperatura ambiente.
➢ Isso ocorre porque toda a austenita terá se transformado em perlita
quando a liga tiver atingido a temperatura em em que a transformação em
bainita se tornar possível.
➢ Para qualquer curva de
resfriamento que passe através de AB,
a transformação da austenita em
perlita termina no ponto de interseção
com AB, com a continuidade do
resfriamento, o restante da austenita
que não se transformou em perlita se
transforma em martensita.
Austenita 727°C
perlita+
Martensita
M(Início)
M(90%)
Martensita
A
A+P Perlita
A
Curva 1: aço com estrutura
formada por perlita grosseira
(resfriamento no forno)
1
2
Curva 2: aço com estrutura
formada por perlita fina
(resfriamento ao ar)
Exemplos de curvas TRC para um aço eutetóide (0,76%p C)
3
Curva 3: aço com estrutura
formada por perlita e
martensita (resfriamento em
óleo)
Austenita 727°C
M(Início)
M(90%)
Martensita
A
A+P Perlita
A
Curva 4: corresponde à
menor velocidade de
resfriamento para a qual
há a transformação da
austenita em martensita,
normalmente denominada
de velocidade crítica
(resfriamento em água)
4Curva 5: para qualquer
velocidade de resfriamento
acima da velocidade
crítica, a estrutura
resultante é martensítica
(resfriamento em água
gelada)
5
Exemplos de curvas TRC para um aço eutetóide (0,76%p C)
perlita+
Martensita
DIAGRAMAS TTT E TRC
➢ Os diagramas de transformação isotérmica (TTT) e por
resfriamento contínuo (TRC) podem ser considerados diagramas de
fases onde o parâmetro tempo é introduzido.
➢ Cada um deles é determinado experimentalmente para uma liga
com uma composição específica, onde as variáveis são a
temperatura e o tempo.
➢ Esses diagramas permitem prever a microestrutura após um
dado intervalo de tempo em tratamentos térmicos à temperatura
constante (curvas TTT) e por resfriamento contínuo (curvas TRC).
EXEMPLO
(a) Resfriamento rápido até 350°C, manutenção dessa temperatura
durante 104s (10000s), e em seguida resfriamento rápido até a
temperatura ambiente
(b) Resfriamento rápido até 250°C, manutenção dessa temperatura
durante 102s (100s), e em seguida resfriamento rápido até a
temperatura ambiente.
(c) Resfriamento rápido até 650°C, manutenção dessa temperatura
durante 103s (1000s), e em seguida resfriamento rápido até a
temperatura ambiente.
(d) Resfriamento rápido até 600°C, manutenção dessa temperatura
durante 5s, e em seguida resfriamento rápido até a temperatura
ambiente.
Usando o diagrama TTT para um aço eutetóide, especifique a natureza da
microestrutura final (em termos dos microconstituintes presentes e das
porcentagens aproximadas) de uma pequena amostra que foi submetida aos
seguintes tratamentos tempo-temperatura. Em cada caso, suponha que a amostra
se encontra inicialmente a uma temperatura de 800°C, e que ela foi mantida a essa
temperatura por um tempo suficiente para que fosse atingida uma estrutura
austenítica completa e homogênea.
EXEMPLO - SOLUÇÃO
(a) 100% Bainita superior
(a) Resfriamento rápido
até 350°C, manutenção
dessa temperatura
durante 104s (10000s), e
em seguida resfriamento
rápido até a temperatura
ambiente
Observação:
Bainita superior: entre 
300 e 540°C
Bainita inferior: entre 
200 e 300°C 
(b) 100% Martensita
(b) Resfriamento rápido até
250°C, manutenção dessa
temperatura durante 102s
(100s), e em seguida
resfriamento rápido até a
temperatura ambiente.
Observação: É
considerado 100% de
martensita, mas na prática
sempre há uma
porcentagem de austenita
que não se transformou,
sendo chamada de
austenita residual ou
austenita retida.
EXEMPLO - SOLUÇÃO
(c) 100% Perlita grosseira
(c) Resfriamento rápido até
650°C, manutenção dessa
temperatura durante 103s
(1000s), e em seguida
resfriamento rápido até a
temperaturaambiente
EXEMPLO - SOLUÇÃO
(d) 
50% Perlita Fina + 50% martensita
(d) Resfriamento rápido até
600°C, manutenção dessa
temperatura durante
aproximadamente 5s, e em
seguida resfriamento rápido
até a temperatura
ambiente.
EXEMPLO - SOLUÇÃO
(a)
(a) 100% 
Bainita 
Superior
(a) Resfriamento rápido até
350°C, manutenção dessa
temperatura durante 104s, e em
seguida resfriamento rápido até
a temperatura ambiente
(b) Resfriamento rápido até
250°C, manutenção dessa
temperatura durante 100s, e em
seguida resfriamento rápido até
a temperatura ambiente
(b)
(b) 
100% 
Martensita
(c)
(c) 100% 
Perlita 
Grosseira
(c) Resfriamento rápido até
650°C, manutenção dessa
temperatura durante 103s, e em
seguida resfriamento rápido até
a temperatura ambiente
(d) Resfriamento rápido até
600°C, manutenção dessa
temperatura durante
aproximadamente 5s, e em
seguida resfriamento rápido até a
temperatura ambiente.
(d) 
50% Perlita
Fina + 50% 
Martensita
(d)
EXEMPLO - SOLUÇÃO