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Prof. Luiz Cláudio Cândido MECANISMOS DE ENDURECIMENTO Prof. Leonardo Barbosa Godefroid candido@em.ufop.br leonardo@em.ufop.br ENDURECIMENTO POR TRANSFORMAÇÃO MARTENSÍTICA Endurecimento por transformação martensítica 1 – Características básicas da transformação martensítica 2 – Morfologia e estrutura da martensita 3 – Nucleação e crescimento 4 – Endurecimento da martensita 5 – Efeitos mecânicos 6 – Efeito memória de forma ENDURECIMENTO POR TRANSFORMAÇÃO MARTENSÍTICA Transformação martensítica: a) Existe uma relação de orientação entre a fase inicial e a fase final. b) Existe um plano, chamado de “plano de hábito”, comum à estrutura transformada e à estrutura não transformada. c) A estrutura transformada é distinta da estrutura originária. d) A transformação depende da temperatura, mas não do tempo. e) Existe uma direção de deslocamento dos átomos, direção esta menor do que a distância interatômica. Características básicas da transformação martensítica Características básicas da transformação martensítica Transformações de fase: Transformações por difusão de átomos (condições de equilíbrio). Transformações por escorregamento (militares) – transformação martensítica. austenite ferrite cementite A3 (A1) Allotropes of iron in three dimensions Apresentação esquemática de uma curva CCT (tracejado) sobreposta à curva TTT do mesmo aço (linhas sólidas). A velocidade necessária para evitar o “nariz” da curva TTT não é, exatamente, a velocidade crítica para garantir a formação de martensita. Alguns pontos do diagrama TTT seriam inacessíveis através de resfriamento contínuo. Exemplos de sistemas transformáveis: Liga Mudança Estrutural Co; Fe-Mn; Fe-Cr-Ni Fe-Ni Fe-C; Fe-Ni-C; Fe-Cr-C; Fe-Mn-C In-Tl; Mn-Cu Li; Zr; Ti; Ti-Mo; Ti-Mn Cu-Zn; Cu-Sn Cu-Al Au-Cd ZrO2 CFC HC CFC CCC CFC TCC CFC TFC CCC HC CCC TFC CCC HC CCC ortorrômbico tetragonal monoclínico a) aço com 1,4% C ou menos KURDJUMOV e SACHS (1930) plano de hábito (225) (111)A / / (011)M 101 A / / 111 M b) ligas Fe - Ni - C NISHIYAMA (1934) plano de hábito (259) (111)A / / (011)M 112 A / / 011 M Exemplos de plano de hábito e de relação de transformação: Exemplos de sistemas transformáveis: Características básicas da transformação martensítica Planos de hábito da martensita em vários tipos de aços. Características básicas da transformação martensítica A martensita é sempre coerente com a rede cristalina da matriz. Ela cresce em planos e direções preferenciais, de tal forma a causar a menor distorção da rede. Características básicas da transformação martensítica Transformation twins (Wayman) Características básicas da transformação martensítica Representação da formação da martensita mediante: (a) cisalhamento homogêneo e (b) deslizamento heterogêneo. Características básicas da transformação martensítica Morfologias: a) lenticular - forma de lentes b) ripa - blocos justapostos em forma de placas Martensita lenticular em Fe-30%Ni. Martensita em ripas em aço baixo C. Estas morfologias dependem da composição da liga, da estrutura cristalina, e das condições nas quais a martensita é formada. c) acicular - forma de agulhas Morfologia e estrutura da martensita Martensita acicular em aço inoxidável AISI 304. Morfologias: Morfologia e estrutura da martensita Deformation bands in the surface layer of the machined samples (steel AISI 304L) at (a) 130m/min etched with Beraha, (b) 175m/min etched Vilela, (c) 220m/min etched Vilela, and (d) 260m/min electrolytically polished. c) acicular - forma de agulhas Várias formas de mostrar a transformação martensítica: Martensite 50 m A transformação martensítica CFC CCC no ferro. Morfologia e estrutura da martensita austenite Morfologia e estrutura da martensita A transformação martensítica CFC CCC no aço 0,8%C. Morfologia e estrutura da martensita Curva TTT esquemática de um aço Fe-C eutetóide. Como ocorre nucleação de cementita e de ferrita a diminuição da temperatura de transformação até a temperatura onde ocorre a taxa máxima da nucleação tem dois efeitos: (i) reduz o espaçamento entre as lamelas de perlita, conduzindo à formação de perlita cada vez mais “fina” e (ii) reduz o tamanho das colônias de perlita. (a) e (c) Aço eutetóide resfriado lentamente do campo austenítico. Perlita. (b) e (d) aço eutetóide resfriado ao ar do campo austenítico. Perlita. Observa-se a diferença de espaçamento lamelar e de tamanho das colônias de perlita. Ataque: Nital 2%. (a) Curva TTT (tempo-temperatura-transformação) para um aço de teor de C extra baixo, que transforma de austenita para ferrita, sem formação de cementita. A linha 1% é o lugar geométrico dos pontos em que 1% da austenita (cinza) transformou em ferrita (branco) (início de transformação). A linha 99% é o lugar geométrico dos pontos em que 99% da austenita se transformou em ferrita (fim de transformação). (b) Curvas de fração transformada em função do tempo, para duas temperaturas T1 e T2. As micrografias esquematizadas indicam que, para a mesma microestrutura austenítica inicial, há mais pontos de nucleação na temperatura T2, próximo ao “nariz” da curva do que na temperatura T1. A maior nucleação, em uma transformação como esta, que prossegue até consumir toda a matriz, resulta em um tamanho de grão ferrítico muito fino. (a) Diagrama CCT, temperatura versus tempo, para um aço com C = 0,39%, Mn = 1,45% e Mo = 0,49%. Cada velocidade de resfriamento é representada por uma curva sobre a figura T vs t. Os valores de dureza final obtidos são, frequentemente, indicados para cada taxa de resfriamento. (b) Diagrama CCT, temperatura versus taxa de resfriamento para um aço com C = 0,38%, Mn = 0,60%. Cada velocidade de resfriamento é representada por uma linha vertical sobre o gráfico T vs dT/dt. Apresentação esquemática de uma curva CCT (tracejado) sobreposta à curva TTT do mesmo aço (linhas sólidas). A velocidade necessária para evitar o “nariz” da curva TTT não é, exatamente, a velocidade crítica para garantir a formação de martensita. Alguns pontos do diagrama TTT seriam inacessíveis através de resfriamento contínuo. Curva CCT determinada por dilatometria de um aço experimental C = 0,78%, Si = 1,60%, Mn = 2,02, Mo = 0,24%, Cr = 1,01%, Co = 3,87% e Al = 1,37%. Os pontos pretos indicam a dureza em HV (eixo da direita). As cruzes indicam início e fim de transformação medidos (ver as microestruturas correspondentes a seguir). A taxa de resfriamento está indicada em °C/s no alto do gráfico, para cada curva. Microestruturas selecionadas dos corpos de prova utilizados para o levantamento da curva CCT da figura anterior. A amostra (a) é composta apenas por martensita (e austenita residual (retida), possivelmente, em função da temperatura M i medida). Nas amostras (b) e (c) observam-se perlita e martensita (possivelmente, há austenita retida, também). A perlita nucleou na austenita, principalmente em contornos de grão. Observa-se a forma de “nódulos” das colônias de perlita. A austenita que não se transformou em perlita transforma-se em martensita ao atingir a temperatura Mi. Com velocidades inferiores a 0,1°C/s observou-se apenas perlita, isto é, toda a austenita se transforma em perlita. O espaçamento interlamelar da perlita é mais fino com as maiores velocidades de resfriamento, como indicado pelas amostras (e) e (h). A perlita escurece, no ataque,muito mais rapidamente que a martensita (ver figuras (b) e (c)). Ataque: Nital 2%. A amostra (a) é composta apenas por martensita (e austenita residual (retida), possivelmente, em função da temperatura M i medida). Nas amostras (b) e (c) observam-se perlita e martensita (possivelmente, há austenita retida, também). A perlita nucleou na austenita, principalmente em contornos de grão. Observa-se a forma de “nódulos” das colônias de perlita. A austenita que não se transformou em perlita transforma-se em martensita ao atingir a temperatura Mi. Com velocidades inferiores a 0,1°C/s observou-se apenas perlita, isto é, toda a austenita se transforma em perlita. O espaçamento interlamelar da perlita é mais fino com as maiores velocidades de resfriamento, como indicado pelas amostras (e) e (h). A perlita escurece, no ataque, muito mais rapidamente que a martensita (ver figuras (b) e (c)). Ataque: Nital 2%. A amostra (a) é composta apenas por martensita (e austenita residual (retida), possivelmente, em função da temperatura M i medida). Nas amostras (b) e (c) observam-se perlita e martensita (possivelmente, há austenita retida, também). A perlita nucleou na austenita, principalmente em contornos de grão. Observa-se a forma de “nódulos” das colônias de perlita. A austenita que não se transformou em perlita transforma-se em martensita ao atingir a temperatura Mi. Com velocidades inferiores a 0,1°C/s observou-se apenas perlita, isto é, toda a austenita se transforma em perlita. O espaçamento interlamelar da perlita é mais fino com as maiores velocidades de resfriamento, como indicado pelas amostras (e) e (h). A perlita escurece, no ataque, muito mais rapidamente que a martensita (ver figuras (b) e (c)). Ataque: Nital 2%. Teorias que explicam a transformação: WECHSLER - LIEBERMAN – READ (1953) BOWLES - MACKENZIE (1954) Distorção de Bain de uma célula CFC se transformando numa célula CCC. A célula TCC é delineada em (A), e mostrada sozinha em (B). A distorção de Bain converte (B) em (C). a) distorção de BAIN transformação da célula original para a célula final, mas sem aparecimento de plano de hábito; b) deformação cisalhante, que mantém a simetria da rede e, em combinação com a distorção de BAIN, produz um plano não distorcido; c) rotação da rede transformada de tal forma que o plano de hábito tenha a mesma orientação no espaço na célula inicial e final. Morfologia e estrutura da martensita (b) Distorção de Bain de uma célula CFC se transformando numa célula CCC. A célula TCC é delineada no interior da célula CFC, e posteriormente mostrada sozinha. A distorção de Bain converte a célula TCC na célula CCC. Morfologia e estrutura da martensita (a) As células unitárias CFC e CCC para o ferro. A estrutura da martensita em um aço com 0,8%C. Durante a transformação, os átomos de C vão se alojar nos interstícios da rede do Fe. Com o resfriamento rápido, esta configuração fica “congelada”, e a solução sólida resultante estará super-saturada, implicando em alongamento numa direção e contração nas outras direções. Como conseqüência, tem-se a célula TCC, uma estrutura fortemente tensionada. Morfologia e estrutura da martensita Aparecimento da martensita: nucleação e crescimento. Força matriz: abaixamento da energia livre. Nucleação duas teorias: a) amolecimento da rede: vibrações térmicas se propagam como ondas; se existe uma direção e um plano para fácil propagação, ocorre o colapso da rede. b) modelo de OLSON - COHEN (1976): a martensita nucleia-se a partir de heterogeneidades, como é o caso da nucleação por d ifusão; estas heterogeneidades seriam locais de alta deformação, como é o caso de d iscordâncias. Crescimento: b) Segundo MEYERS (1980), ocorre em duas direções: longitudinal e transversal, através da propagação de ondas. a) Em altas velocidades (1km/ s) e independente da temperatura. Nucleação e crescimento Crescimento de lentes de martensita por propagação de ondas: (a) propagação longitudinal ao longo do plano xz numa velocidade vlt, a partir de um núcleo. (b) propagação transversal com velocidade vst perpendicular ao plano de hábito (direção oy). Nucleação e crescimento Nucleação e crescimento de lentes de martensita na estrutura do ferro, a partir de contornos de grãos. Nucleação e crescimento Nucleação: modelo de KAUFMANN-COHEN (1958) Admite-se que os núcleos têm uma interface semicoerente com a matriz, e que esta interface contém discordâncias sob a forma de anéis paralelos, que acomodam o núcleo na matriz envolvente. Nestas condições, o crescimento ocorrerá por nucleação de novos anéis, que são incorporados na interface, provocando o seu crescimento. Nucleação e crescimento Nucleação: modelo de OLSON-COHEN (1976) (a) Uma discordância na rede CFC. (b) Dissociação da discordância, gerando uma falha de empilhamento. (c) Relaxação da falha na rede CCC, formando novas dissociações na interface da falha. (d) Estrutura final da falha. Nucleação e crescimento • O endurecimento da martensita está intimamente ligado à distorção da rede. As discordâncias vão encontrar muita dificuldade para se moverem através desta estrutura fortemente tensionada. Endurecimento da martensita Contribuições para o endurecimento da estrutura martensítica: a) fina estrutura de maclação desenvolvida ou elevada densidade de discordâncias produzida; b) redistribuição de átomos de soluto na solução sólida e formação de precipitados. Endurecimento da martensita Segundo WILLIAMS e THOMPSON (1981), as contribuições para a resistência da martensita em um aço com 0,4%C são distribuídas da seguinte maneira: Mecanismo u (MPa) % Endurecimento por contorno de grão 620 28 Densidade de discordâncias 270 12 Solução sólida do carbono 400 18 Rearranjo do carbono na têmpera (atmosfera de Cottrell, efeito Snoek, aglomeração, precipitação) 750 33 outros efeitos 200 9 Total 2.240 100 Estes efeitos não são necessariamente aditivos; entretanto, este esquema simplificado mostra as várias contribuições. Endurecimento da martensita Obs.: O ordenamento Snoek consiste na reorientação de um sistema de “defeitos” pontuais de simetria tetragonal ou inferior aleatoriamente distribuídos no campo de tensão de uma discordância. Átomos intersticiais podem formar “atmosferas de Snoek” com mais facilidade que “atmosferas de Cotrell” em martensitas ferrosas. A formação da “atmosfera de Cotrell” também ocorre na martensita e produz tanto envelhecimento estático (como a “atmosfera de Snoek”) quanto dinâmico. Uma placa de martensita introduz, ao seu redor, deformações macroscópicas. Estas deformações podem ser decompostas em um campo dilatacional e em um campo cisalhante. Ambas irão interagir com o campo de tensões externo. Exemplo: um risco original numa amostra apresenta um desvio da linearidade, quando a amostra apresenta transformação martensítica. Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos PATEL e COHEN (1953): tensões normais não afetam tensões cisalhantes, e por isto uma grande quantidade de energia é requerida para a transformação, quando atua um campo hidrostático. Por outro lado, tanto a tração como a compressão uniaxial possuem componentes cisalhantes, daí a menor quantidade de energia requerida. A tranformação martensítica pode ser induzida pela aplicação de um esforço externo: a) Se ela ocorre na região elástica, diz-se que a martensita é induzida por tensão; b) Se ela ocorre na região plástica, diz-se que a martensita é induzida por deformação. Exemplo: liga Fe-Ni-C testada acima de Ms mostrando a formação da martensita na região elástica: Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicosEfeitos mecânicos Efeitos mecânicos Efeitos mecânicos Aços Inoxidáveis Austeníticos Ex. de Transformação Martensítica Induzida por Deformação Energia de falha de empilhamento Alterações na estruturaTransformação martensítica A B C A B C Efeitos mecânicos Aços Inoxidáveis Efeitos mecânicos Aços Inoxidáveis Austeníticos Typical stress-strain curves for types AISI/SAE 301 and 304 stainless steel. Efeitos mecânicos Aços Inoxidáveis Austeníticos Efeitos mecânicos Disciplina Aços Especiais - Ouro Preto Alexandre Serrano Características dos Aços Inoxidáveis Para a EstampagemCaracterísticas dos Aços Inoxidáveis Para a Estampagem Aços inoxidáveis austeníticosAços inoxidáveis austeníticos Variáveis Que Afetam a Transformação Martensítica Estabilidade da ligaEstabilidade da liga A estabilidade da liga austenítica depende diretamente da composição química O efeito dos elementos de liga é evidenciado pela seguinte fórmula: Md30 = 551 - 462 (C+N) - 9,2 (Si) - 8,1 (Mn) - 13,7 (Cr) - 29 (Ni + Cu) - 18,5 (Mo) - 68 (Nb) - 1,4 (TG ASTM - 8) Md30 = temperatura para ocorrência de transformação martensítica induzida por deformação, em 50%, com deformação mecânica de 30%. A martensita induzida por deformação gera o chamado efeito de “transformação induzida por plasticidade” - TRIP. Este efeito é usado para provocar alta resistência e tenacidade aos aços. A resistência é devido a encruamento, precipitações e empilhamento de discordâncias durante o tratamento termo-mecânico do material. A tenacidade é devida à transformação martensítica, que encrua mais o material e evita qualquer estricção. Efeitos mecânicos A fratura da martensita ocorre geralmente a partir dos contornos martensita-austenita ou martensita- martensita. Para um baixo teor de carbono, a martensita é macia, e a fratura ainda é dúctil. Para um alto teor de carbono, a martensita é dura, e a fratura é frágil. Quando uma placa se encontra com outra, podem se formar microtrincas, que levarão à fratura do material. O tratamento de “revenido” visa melhorar a tenacidade dos aços. Por outro lado, pode ocorrer fragilização, devido à segregação de impurezas para os contornos de grãos austeníticos (Sb, P, Sn, As). Esta segregação vai causar uma fratura intergranular. (Mudanças devido ao tratamento de revenimento na martensita): Efeitos mecânicos O “efeito memória” é uma propriedade que algumas ligas possuem, segundo a qual, após serem deformadas a uma certa temperatura, elas recuperam a sua forma original, após serem aquecidas a uma segunda temperatura. Este efeito é produzido pela transformação martensítica. Um exemplo típico de ligas que apresentam o efeito memória são as ligas Ni-Ti. Para estas ligas a temperatura MS está entre –273 o e 100 o C. Esquema do efeito memória de forma. Efeito memória de forma Dois efeitos mecânicos caracterizam o efeito memória: a) pseudoelasticidade (reversibilidade) b) memória de deformação (irreversibilidade) Curva tensão-deformação pseudoelástica para uma liga de Cu-Zn-Sn, a 24oC (76oC acima de Ms). Efeito memória de forma A pseudoelasticidade é resultante da transformação martensítica induzida por tensão. Acontece quando a deformação é irreversível. Adicional temperatura (aquecimento) é requerido para reverter a martensita. (a) (b) Efeito da memória de forma para carregamento em compressão e em tração: Duas variantes de martensita são mostradas: A e B. A variante B favorece deformações de tração, enquanto a variante A produz compressão na direção de carregamento. Sob tensões de compressão A cresce às expensas de B. Sob tensões de tração o oposto ocorre. Aquecimento seguinte faz com que a martensita se transforme em austenita. Após aquecimento, as amostras retornam à sua forma original, pelo movimento reverso das interfaces de martensita. Efeito memória de forma Seqüência mostrando como o crescimento de uma variante de martensita e decréscimo de outras resulta na deformação L Efeito memória de forma fabricação de uma antena para satélite.Exemplo de aplicação: Efeito memória de forma
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