09 - Transformações de Fases em Metais (sup)

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TRANSFORMAÇÕES DE FASES EM METAIS
Unidade VII
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará
Departamento de Indústria
Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial
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Transformações de Fases em Metais
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ALTERAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
γ
γ
γ
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Transformações de Fases em Metais
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DIFUSÃO
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Transformações de Fases em Metais
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PAR DE DIFUSÃO
% Cu, Ni 
Posição
100
0
COBRE
NÍQUEL
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Transformações de Fases em Metais
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MECANISMOS DA DIFUSÃO
LACUNA
ÁTOMO HOSPEDEIRO OU SUBSTITUCIONAL
LACUNA
ÁTOMO INTERSTICIAL
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Transformações de Fases em Metais
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- 1º tipo de transformação: ocorre com difusão, a transformações simples, nas quais não existe nenhuma mudança na quantidade e nas composições das fases presentes. Essas transformações incluem a solidificação de um metal puro, as transformações alotrópicas, a recristalização e o crescimento dos grãos.
- 2º tipo de transformação: ocorre com difusão, existe alguma mudança nas composições das fases e, com frequência, no número de fases presentes; geralmente, a microestrutura final consiste em duas fases. Exemplo: reação eutetoide.
- 3º tipo de transformação: ocorre sem difusão, havendo a geração de uma fase metaestável. uma transformação martensítica, que pode ser induzida em alguns aços, se enquadra nessa categoria.
DIFUSÃO X TEMPERATURA
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Transformações de Fases em Metais
A CINÉTICA DAS REAÇÕES NO ESTADO SÓLIDO
FRAÇÃO TRANSFORMADA, y
Log(TEMPO)
0,5
1,0
0,0
Nucleação
Crescimento
EQUAÇÃO DE AVRAMI:
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Transformações de Fases em Metais
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Obstáculos a formação de uma nova fase que a tornam dependente do tempo: a) difusão b) O aumento de energia associado ao contorno entre fases.
- Estágios da transformação de fase: Nucleação e crescimento
Nucleação: consiste na formação de partículas, ou núcleos, muito pequenos (frequentemente com dimensões submicroscópicas da nova fase, as quais são capazes de crescer.
 Crescimento: Os núcleos aumentam de tamanho.
- Na nucleação homogênea, os núcleos da nova fase se formam uniformemente por toda a fase original, enquanto na nucleação heterogênea os núcleos se formam preferencialmente em heterogeneidades estruturais, como nas superfícies de recipientes, em impurezas insolúveis, nos contornos dos grãos, nas discordâncias, e assim por diante.
Cinética de uma transformação: É a dependência em relação ao tempo da taxa de transformação.
O progresso de uma transformação é geralmente verificado mediante um exame microscópico ou mediante a medição de alguma propriedade física, cuja magnitude seja característico da nova fase.
Equação de Avrami:
Y = fração de transformação
t = tempo
K,n = são constantes que independem do tempo para a reação específica.
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA SOBRE A CINÉTICA DE UMA REAÇÃO
Porcentagem de recristalização em função do tempo e a uma temperatura constante para o cobre puro.
102
104
10
1
20
40
60
80
135 ⁰C
119 ⁰C
113 ⁰C
102 ⁰C
88 ⁰C
43 ⁰C
FRAÇÃO RECRISTALIZADA
TEMPO (s)
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Transformações de Fases em Metais
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TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS
COMPOSIÇÃO
PRESSÃO
γ
γ
γ
TEMPERATURA
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Transformações de Fases em Metais
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As transformações de fases podem ser forjadas em sistemas de ligas metálicas pela variação da temperatura, da composição e da pressão externa.
Fenômeno de Super-resfriamento e sobreaquecimento: Para transformaçoes diferentes daquelas existentes em um resfriamento em condições de equilíbrio , as transformações são deslocadas para temperaturas mais baixas do que aquelas indicadas pelo diagrama de fases; para um caso de aquecimento , o deslocamento se dá para temperaturas mais elevadas.
REAÇÃO EUTETÓIDE DOS AÇOS
resfriamento 
aquecimento
γ(0,76 %p C)
α(0,022 %p C) + Fe3C( 6,7 %p C)
EQUILÍBRIO
727 ºC
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Transformações de Fases em Metais
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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA SOB A TRANSFORMAÇÃO γ-PERLITA
PORCENTAGEM DE PERLITA
50
100
102
103
10
1
0
0
50
100
PORCENTAGEM DE AUSTENITA
TEMPO (s)
600 ⁰C
650 ⁰C
675 ⁰C
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Transformações de Fases em Metais
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A taxa de transformação a uma dada temperatura é inversamente proporcional ao tempo exigido para que a reação prossiga até 50% de seu término.
Na transformação eutetóide a taxa de transformação aumenta com a diminuição da temperatura entre 540 e 727 °C, porque nessa faixa a taxa de transformação é controlada pela taxa de nucleação da perlita, e a taxa de nucleação diminui com o aumento da temperatura. EQ.10.3.
Eq. 10.3 a energia de ativação Q para a nucleação é uma função da elevação da temperatura e aumenta com essa elevação.
A temperaturas mais baixas a transformação de decomposição da austenita é controlada pela difusão e que o comportamento da taxa se processa de acordo com o previsto pela eq 10.3 com uma energia de ativação para a difusão independente da temperatura.
Diagramas de transformação isotérmica = gráfico de transformação tempo-temperatura = curvas TTT
DIAGRAMA TTT (TEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO)
% da γ transformada em perlita
Tempo (s)
10
102
103
104
105
100
50
0
Ttrans = 675ºC
Austenita instável
Austenita estável
Perlita
675
650
Temperatura eutetóide (727 ºC)
Final da transformação
Ttrans = 650ºC
10
102
103
104
105
1
Temperatura (ºC)
700
600
500
400
Curva de início (~0% de perlita)
Curva 50% de conclusão
Curva de conclusão (~100% de perlita)
1
Início da transformação
?
Aço EUTETÓIDE
Tempo (s)
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
A temperaturas imediatamente abaixo da temperatura eutetóide, são produzidas camadas relativamente espessas, tanto para a fase ferrita como para a fase cementita, essa microestrutura é conhecida como perlita grosseira.
A essas temperaturas, as taxas de difusão são relativamente elevadas, de tal modo que durante a transformação os átomos de carbono podem se difundir ao longo de distancias relativamente longas, o que resulta na formação de lamelas grossas. Com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão do carbono diminui e as camadas se tornam progressivamente mais finas.
TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA: AÇO EUTETÓIDE
Transformação austenita → perlita
Perlita grosseira
Austenita (estável)
727 ̊C
Perlita fina
C
D
B
TEMPERATURA (⁰C)
TEMPO (s)
700
600
500
1
10
102
103
104
105
1 s
1 min
1 h
1 dia
γ
γ
γ
γ
γ
γ
A
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Transformações de Fases em Metais
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PERLITA FINA X PERLITA GROSSEIRA
Perlita grosseira
Perlita fina
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Transformações de Fases em Metais
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CURVAS TTT DE UM AÇO HIPEREUTETÓIDE
Aço-carbono com 1,13%p C
500
600
700
800
900
1
10
102
103
104
P
A
A
A
+
C
TEMPERATURA (⁰C)
TEMPO (s)
‹#›
Transformações de Fases em Metais
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CURVAS TTT (AÇO EUTETÓIDE): BAINITA
Bainita inferior
Bainita superior
B
P
A
A
A
B
+
A
+
P
A
Perlita fina
Perlita grossa
600
700
500
400
300
200
1
10
102
103
104
105
TEMPERATURA (⁰C)
TEMPO (s)
?
: Austenita
: Perlita
: Bainita
A
B
P
727 ºC
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Transformações de Fases em Metais
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Bainita inferior
Bainita superior
BAINITA SUPERIOR X BAINITA INFERIOR
Ferrita
Cementita
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Transformações de Fases em Metais
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Bainita superior: É a estrutura que se forma em temperaturas entre aproximadamente 300 e 540 °C, como uma série de ripas paralelas (tiras finas e estreitas) ou agulhas de ferrita que se encontram separadas por partículas alongadas da fase cementita.
Bainita Inferior: É a estrutura que se forma em temperaturas entre aproximadamente 200 e 300 °C. a fase ferrita existe na forma de placas finas e particulas estreitas de cementita no inteiror destas placas de ferrita.
MARTENSITA
Austenita (CFC)
Martensita (TCC)
Resfriamento rápido (TÊMPERA)
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Transformações de Fases em Metais
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A martensita é um microconstiuinte ou fase.
A martensita é formada quandoligas ferro-carbono austenitizadas são resfriadas rapidamente (tempera) até uma temperatura relativamente baixa. A martensita é uma estrutura monofásica que não se encontra em equilíbrio, resultante de uma transformação sem difusão da austenita. A transformação martensitica ocorre quando a taxa de têmpera é rápida o suficiente para prevenir a difusão do carbono. Qualquer difusão que porventura venha a ocorrer resultará na formação das fases ferrita e cementita. 
A austenita CFC experimenta uma transformação polimórfica em uma martensita tetragonal de corpo centrado.
MARTENSITA
A transformação martensitica não envolve difusão, ela ocorre quase instantaneamente . A taxa de transformação martensitica é independente do tempo.
Nas ligas ferro carbono encontramos duas microestruturas martensiticas:
(a) em ripas (ligas com %C < 0,6)
(b) lenticular (ou em placas) (ligas com %C > 0,6), os grãos de martensita apresentam uma aparência em forma de agulha ou em formato de placa.
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Transformações de Fases em Metais
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CFC sem o carbono
CURVAS TTT (AÇO EUTETÓIDE): MARTENSITA
TEMPERATURA (⁰C)
800
700
600
500
400
300
200
100
1
10
102
103
104
105
TEMPO (s)
A
B
P
B
P
B
P
A
A
A
A
M
M
M
(início)
(50%)
(90%)
M
: Austenita
: Perlita
: Bainita
: Martensita
+
+
727 ºC
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
MARTENSITA
Martensita em placas
Martensita em ripas
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
Das várias microestruturas que podem ser produzidas para uma dada liga de aço, a martensita é a mais dura, a mais resistente e além disso, a mais frágil, ela possui uma ductilidade desprezivel.
A sua dureza depende do teor de carbono até 0,6%p.
A dureza e a resistência da martensita são atribuídas à eficiência dos átomos de carbono intersticiais em restringir o movimento das discordâncias, bem como ao número relativamente pequeno de sistemas de escorregamento para a estutura TCC.
MARTENSITA
Fotomicrografia de uma microestrutura martensitica lenticular ou em placas, os grãos com formato de agulha são a fase martensita, enquanto as regiões em branco representam a austenita retida.
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
Microestrutura: FERRITA e CEMENTITA GLOBULIZADA. 
CEMENTITA GLOBULIZADA
CEMENTITA
FERRITA
‹#›
Transformações de Fases em Metais
‹#›
Cementita Globulizada: É uma microestrutura, são partículas de cementita com formato esférico que estão encerradas em uma matriz contínua da fase alfa (ferrita). È obtida pelo aquecimento da microestrutura bainita ou da perlita de uma liga de aço a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide por um período suficientemente longo (ex: 700 °C entre 18 e 24 horas)
- A força motriz para essa transformação é a redução na área de contornos entre as fases ferrita e cementita. 
Fotomicrografia de um aço perlítico que se transformou parcialmente em cementita globulizada
CEMENTITA GLOBULIZADA
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
EXEMPLO #1: CURVAS TTT 
Usando o diagrama TTT para AÇO EUTETÓIDE, especifique a MICROESTRUTURA FINAL de uma amostra submetida aos TRATAMENTOS abaixo.
 Suponha que a amostra está inicialmente a 760 °C e que apresenta ESTRUTURA AUSTENÍTICA completa e homogênea.
RESFRIAMENTO RÁPIDO até 350 ⁰C, manutenção da temperatura por 10.000 s e RESFRIAMENTO RÁPIDO até a 25 ⁰C.
RESFRIAMENTO RÁPIDO até 250 ⁰C, manutenção da temperatura por 100 s e RESFRIAMENTO RÁPIDO até a 25 ⁰C.
RESFRIAMENTO RÁPIDO até 650 ⁰C, manutenção dessa temperatura por 20 s, RESFRIAMENTO RÁPIDO até 400 ⁰C, manutenção da temperatura por 1.000 s e RESFRIAMENTO RÁPIDO até a 25 ⁰C.
‹#›
Transformações de Fases em Metais
‹#›
EXEMPLO #1: CURVAS TTT
800
700
600
500
400
300
200
100
1
10
102
103
104
105
TEMPERATURA (°C)
TEMPO (s)
A
B
P
B
P
B
P
A
A
A
A
M
M
M
(início)
(50%)
(90%)
M
: Austenita
: Perlita
: Bainita
: Martensita
+
+
a) 100% B
b) 100% M
c) 50% P + 50% B
727 ºC
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Transformações de Fases em Metais
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DIAGRAMA DE TRANSFORMAÇÃO POR RESFRIAMENTO CONTÍNUO: AÇO EUTETÓIDE
TEMPERATURA (°C)
800
700
600
500
400
300
200
100
1
10
102
103
104
105
TEMPO (s)
M
M
(início)
(50%)
(90%)
TRC
TTT
M
I
II
I
Recozimento pleno:
Perlita grosseira
II
Normalização:
Perlita fina
727 ºC
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
A bainita normalmente não se forma por resfriamento continuo para os aços comum e aços eutetóides, pois antes a austenita se. transforma em perlita
Taxa de têmpera crítica: para resfriamento contínuo de ligas de aço corresponde a taxa mínima de têmpera que irá produzir uma estrutura totalmente martensítica (140°C/s).
TAXA DE TÊMPERA CRÍTICA
Temperatura (ºC)
Tempo (s)
700
600
500
400
300
200
100
1
10
102
103
104
105
M
M
M
(início)
(50%)
(90%)
Temperatura eutetóide
Aço EUTETÓIDE
35 ºC/s
140 ºC/s
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Transformações de Fases em Metais
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Elementos de liga que tornam os aços tratáveis termicamente: cromo, níquel, molibdênio, manganês, silício e o tungstênio (CNMMST)
DIAGRAMA TRC DE UM AÇO-LIGA 4340
TEMPERATURA (°C)
800
700
600
500
400
300
200
100
1
10
102
103
104
105
TEMPO (s)
106
Austenita → Martensita
Austenita → Bainita
Joelho da bainita
Taxa de resfriamento crítico
Austenita → Ferrita
8,3 ⁰C/s
0,3 ⁰C/s
0,02 ⁰C/s
0,006 ⁰C/s
Temperatura eutetóide
Austenita → Perlita
M
M+B
M+F +B
M+F +P+B
F +P
M (início)
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
Aço 4340 : Cr, Ni, Mo e outros
MARTENSITA REVENIDA
Microestrutura da martensita revenida
MARTENSITA (TCC, monofásica)
MARTENSITA REVENIDA (α + Fe3C)
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Transformações de Fases em Metais
‹#›
O tratamento térmico REVENIDO aumenta a ductilidade, a tenacidade e reduz as tensões internas da martensita.
O revenido consiste em aquecer o aço por um determinado tempo a temperaturas entre 250 e 650 °C. a temperaturas próximas a 200 °C já alivia as tensões. (difusão).
A microestrutura da martensita revenida consiste em partículas de cementita extremamente pequenas e uniformemente dispersas no interior de uma matriz de ferrita. É semelhante a cementita globulizada com a diferença que as particulas são muito menores.
A dureza e a resistência podem ser explicadas pelas grandes áreas de contornos por unidade de volume que existe entre as fases de ferrita e cementita, para as numerosas e muito finas partículas de cementita.
Em temperaturas que se aproximam da eutetóide (700 °C) e após varias horas, a microestrutura terá se tornado composta de cementita globulizada.
MARTENSITA REVENIDA
LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO E DE ESCOAMENTO 
TEMPERATURA DE REVENIDO (⁰C)
120
140
160
180
200
220
240
260
800
1000
1200
1400
1600
1800
300
400
500
600
REDUÇÃO DE ÁREA (%)
30
40
50
60
MPa
103 psi
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Transformações de Fases em Metais
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EFEITO DA TEMPERATURA DE REVENIMENTO
RESISTÊNCIA MECÂNICA
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Transformações de Fases em Metais
FRAGILIZAÇÃO POR REVENIMENTO
Ocorre redução da tenacidade
 O fenômeno ocorre quando o aço é revenido a uma temperatura acima de aproximadamente 575 °C, seguido por resfriamento lento até a temperatura ambiente, ou quando o revenido é realizado entre aproximadamente 375 e 575°C.
As ligas de aço que apresentam fragilização são as que apresentam os elementos de liga: manganês, níquel ou cromo. E as impurezas: antimônio, fósforo, arsênio e estanho. Esses elementos aumentam a temperatura das curvas de transição ductil-frágil.
A fragilização pode ser evitada por:
(1) por controle da composição
(2) por revenido a uma temperatura acima de 575 °C ou abaixo de 375 °C
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Transformações de Fases em Metais
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE LIGAS Fe-C
Cementita globulizada
Perlita fina
Perlita grosseira
COMPOSIÇÃO (%p C)
0,2
0,4
0,6
0,8
DUREZA BRINELL 
80
120
160
200
240
280
320
Cementita globulizada
Perlita fina
Perlita grosseira
COMPOSIÇÃO (%p C)
0,2
0,4
0,6
0,8
DUCTILIDADE (%RA)
80
10
20
30
40
50
60
70
90
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Transformações de Fases em Metais
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A perlita fina é mais dura e resistente do que a perlita grosseira:
Existe um elevado graude aderência entre as duas fase através do contorno. Portanto, a fase cementita, forte e rígida, restringe severamente a deformação da fase ferrita, mais macia. 
Os contornos das fases servem como barreiras ao movimento de discordâncias.
- As ligas que contêm microestrutura perlítica possuem uma maior resistência e maior dureza do que aquelas que possuem microestrutura de cementita globulizada, pois apresentam maior área de contorno por unidade de volume que a cementita globulizada.
COMPORTAMENTO MECÂNICO DE LIGAS Fe-C
COMPOSIÇÃO (%p C)
0,2
0,4
0,6
0,8
DUREZA BRINELL 
100
200
300
400
500
600
700
DUREZA ROCKWELL C
20
30
40
50
60
65
Perlita fina
Martensita
Martensita revenida
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Transformações de Fases em Metais
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COMPORTAMENTO MECÂNICO DE LIGAS Fe-C
PERLITA GROSSEIRA
PERLITA FINA
BAINITA SUPERIOR
BAINITA INFERIOR
MARTENSITA
DUREZA
PLASTICIDADE
RESITÊNCIA MECÂNICA
CEMENTITA GLOBULIZADA
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Transformações de Fases em Metais
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TRANSFORMAÇÕES DE FASE: AÇO EUTETÓIDE
Resfriamento lento
Resfriamento moderado
Resfriamento rápido
PERLITA
MARTENSITA
BAINITA
AUSTENITA
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Transformações de Fases em Metais
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