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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,