Mec. de Endur. - 6 - Trans. Martensítica

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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