11 Transformações de fases em metais

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Transformações de Fases em Metais
Prof. Dr. José Henrique Alano
Transformação de Fases em Metais
Importância
As transformações de fases modificam a microestrutura, que
por sua vez, modificam as propriedades dos materiais.
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Transformação de Fases em Metais
Classificação:
✓ Sem alteração de composição química: exemplo →
solidificação, transformações alotrópicas, recristalização,
crescimento de grão.
✓ Com alguma alteração de composição química e na
quantidade de fase: exemplo→ reação eutetóide.
✓ Formação de uma fase metaestável sem difusão: exemplo →
transformação martensítica.
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Transformação de Fases em Metais
✓ O processo de transformação pode ser dividido em dois
estágios:
▪ Nucleação;
▪ Crescimento.
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Na maioria dos casos, a transformação de fase no estado 
sólido não ocorre instantaneamente.
Transformação de Fases em Metais
Nucleação
Envolve o aparecimento de partículas pequenas capazes de
crescer→ núcleos da nova fase;
✓ Existe dois tipos de nucleação:
▪ Homogênea;
▪ Heterogênea.
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A nucleação pode ser definida como 
a formação de uma nova fase a partir 
de outra.
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Nucleação homogênea
✓ Não existe um local específico para a formação do núcleo, a
nucleação ocorre uniformemente na fase de origem;
Nucleação heterogênea
✓ O núcleo é formado preferencialmente em
heterogeneidades estruturais do metal, como contornos de
grão, contornos de fase, impurezas insolúveis, etc.
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Transformação de Fases em Metais
Nucleação homogênea
✓ Uma transformação ocorrerá espontaneamente se a
variação da energia livre de Gibbs do sistema (∆G) for
negativa.
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∆𝐺 < 0
Transformação espontânea
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Nucleação homogênea
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• Um núcleo formado no interior
do líquido;
• Assumindo que este núcleo seja
esférico;
• Existe duas contribuições para a
energia total do sistema que
acompanha esta transformação
de fase:
Transformação de Fases em Metais
Nucleação homogênea
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1. A diferença de energia livre
entre o sólido e o líquido, ∆Gv,
(a magnitude desta
contribuição é produto do
volume da esfera);
2. A segunda contribuição é a
formação de uma interface
sólido/líquido, que depende da
área da esfera, γ.
Transformação de Fases em Metais
Nucleação homogênea
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Ou seja, a variação de energia livre
para a nucleação e crescimento
homogênea é dada por:
Transformação de Fases em Metais
Nucleação homogênea
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Ou seja, a variação de energia livre
para a nucleação e crescimento
homogênea é dada por:
Contribuição do volume 
(- abaixo de Tm)
Contribuição da 
interface (+)
Transformação de Fases em Metais
Nucleação homogênea
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Transformação de Fases em Metais
Variação de Energia Livre Crítica, ΔG*
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∆G* representa a energia de ativação para a formação de um 
núcleo estável.
Transformação de Fases em Metais
Variação de Energia Livre Crítica, ΔG*
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∆G* representa a energia de ativação para a formação de um 
núcleo estável.
Nota: ∆Gv é a força motriz
para a solidificação. Na
temperatura de fusão, Tm,
∆Gv = 0. Com a diminuição
da temperatura, ∆Gv se
torna cada vez mais
negativo.
Transformação de Fases em Metais
Variação de Energia Livre Crítica, ΔG*
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Quanto menor a temperatura, menor a energia de ativação para a 
nucleação (r* e ∆G*);
Transformação de Fases em Metais
Variação de Energia Livre Crítica, ΔG*
✓ ∆Gv é, portanto, função da temperatura.
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Onde,
∆Hf é o calor latente de fusão e Tm a temperatura de fusão.
Substituindo nas equações anteriores:
Transformação de Fases em Metais
Variação de Energia Livre Crítica, ΔG*
✓ ∆Gv é, portanto, função da temperatura.
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ΔG* é função da temperatura!
Transformação de Fases em Metais
Número de Núcleos Estáveis, n*
✓ n* é o número de núcleos estáveis em uma dada
temperatura.
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O efeito da temperatura no numerador (ΔG*) é maior que no
denominador, por isto, n* aumenta com a diminuição da
temperatura.
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Número de Núcleos Estáveis, n*
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Núcleos estáveis
T1
T2
T1 > T2
Transformação de Fases em Metais
Frequência de Agrupamento, Vd
✓ vd é a frequência na qual os átomos próximos ao embrião
se agrupam para formar um núcleo, é dado por:
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Onde,
Qd é a energia de ativação para a difusão (independente da
temperatura).
A difusão difusão aumenta com a 
temperatura!
Transformação de Fases em Metais
Frequência de Agrupamento, Vd
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• A dependência de Vd na
temperatura é a mesma
do coeficiente de difusão.
• Uma redução na
temperatura resulta em
uma redução em Vd.
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Taxa de Nucleação, N
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Quanto menor a temperatura, maior n* e menor Vd → a taxa 
de nucleação é proporcional ao produto destas duas curvas.
Transformação de Fases em Metais
Taxa de Nucleação, N
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Taxa máxima de nucleação.
N aumenta com a redução
da temperatura devido ao
aumento da força motriz
para a nucleação, ∆G*.
N diminui devido a uma
redução da mobilidade
atômica em baixas
temperaturas.
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Super-resfriamento
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Pela figura, observa-se que até
determinado ponto, uma taxa de
nucleação apreciável (ex: solidificação)
ocorre com o aumento de ∆T;
Este fenômeno é chamado de super-
resfriamento.
Transformação de Fases em Metais
Super-resfriamento
O super-resfriamento para a nucleação homogênea pode ser
bastante elevado.
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Transformação de Fases em Metais
Nucleação heterogênea
✓ Em situações práticas o super-resfriamento não é tão
elevado;
✓ Motivo: a energia de ativação para a nucleação, ∆G*, é
reduzida quando o núcleo é formado em uma superfície
pré-existente.
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Transformação de Fases em Metais
Nucleação Heterogênea versus Nucleação Homogênea
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Transformação de Fases em Metais
Nucleação Heterogênea versus Nucleação Homogênea
✓ O raio crítico é o mesmo para os dois tipos de nucleação;
✓ A energia de ativação é menor para a nucleação
heterogênea;
✓ Para um mesmo super-resfriamento, a taxa de nucleação é
maior na nucleação heterogênea.
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Transformação de Fases em Metais
Nucleação heterogênea
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Transformação de Fases em Metais
Crescimento, G
✓ Em uma transformação de fase, o crescimento ocorre após
o embrião atingir o raio crítico;
✓ A taxa de crescimento, G, depende da difusão atômica,
consequentemente, a taxa de crescimento é determinada
pela taxa de difusão e depende da temperatura:
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Transformação de Fases em Metais
Taxa de Transformação
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Transformação de Fases em Metais
Taxa de Transformação
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Muitos fenômenos físicos podem
ser explicados pela análise da
curva da figura ao lado.
Qual o tamanho de partícula em
uma transformação ocorrendo
próximo a Tm?
Transformação de Fases em Metais
Taxa de Transformação
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Muitos fenômenos físicos podem
ser explicados pela análise da
curva da figura ao lado.
Qual o tamanho de partícula em
uma transformação ocorrendo
próximo a Tm?
Baixa taxa de nucleação, núcleos que crescem rápido →
microestrutura com cristais grandes →menor quantidade.
Transformação de Fases em Metais
Taxa de Transformação
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Muitos fenômenos físicos podem
ser explicados pela análise da
curva da figura ao lado.
Em temperaturas bem abaixo da
Tm?
Transformação de Fases em Metais
Taxa de Transformação
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Muitos fenômenos físicos podem
ser explicados pela análise da
curva da figura ao lado.
Em temperaturas bem abaixo da
Tm?
Alta taxa de nucleação e baixa taxa de crescimento.
Transformação de Fases em Metais
Taxa de Transformação
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Nota: Embora o tratamento utilizado para explicar a taxa de
transformação tenha sido aplicado para o processo de
solidificação, o mesmo princípio pode ser utilizado para outros
tipos de transformação (ex: sólido-sólido, sólido-gás).
Transformação de Fases em Metais
Curva C
O tempo requerido para que um determinado grau de
transformação ocorra (ex: 50%, t0,5) é inversamente
proporcional à taxa de transformação.
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Transformação de Fases em Metais
Curva C
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A cinética das transformaçõesde fases são normalmente 
plotadas em curvas com este formato (em C).
Transformação de Fases em Metais
Curva C
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O que pode ocorrer se resfriarmos rapidamente??? Lembrando
que a curva vermelha é a taxa de transformação em condições
de equilíbrio.
Transformação de Fases em Metais
Considerações Cinéticas das Transformações de Fases
Cinética: Envolve a dependência do tempo nas transformações
de fases;
Os dados cinéticos são obtidos e plotados em curvas fração de
transformação em função do logaritmo do tempo para um
temperatura constante.
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Transformação de Fases em Metais
Curva S
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Transformação de Fases em Metais
Curva S
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Esta é uma curva tipo-S
(transformação vs log, t)
para uma dada
temperatura.
O que deve ocorrer com a
curva em temperaturas
menores???
Transformação de Fases em Metais
Curva S
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Por convenção, a taxa de transformação é definida
como o inverso do tempo para 50% de transformação.
Transformação de Fases em Metais
Diagramas de Transformação Isotérmica
A maioria das transformações de fases necessitam de um
tempo para completar a transformação e a taxa de
transformação é importante para a relação entre tratamentos
térmicos e desenvolvimento de microestruturas.
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É uma limitação dos diagramas de fases!
Transformação de Fases em Metais
Diagramas de Transformação Isotérmica
Como visto a aula de diagrama de fases, durante a reação
eutetóide, a austenita (%C intermediário) se transforma em
ferrita (%C baixo) e cementita (%C alto);
Austenita→ Perlita (ferrita + cementita)
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Transformação de Fases em Metais
Diagramas de Transformação Isotérmica
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A temperatura tem um papel importante na formação da perlita!
Transformação de Fases em Metais
Diagramas de Transformação Isotérmica
✓ Existe uma forma mais conveniente de representar a
dependência do tempo e da temperatura nesta
transformação.
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Transformação de Fases em Metais
Diagramas de Transformação Isotérmica
▪ Existe uma forma mais conveniente de representar a
dependência do tempo e da temperatura nesta
transformação;
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Este diagrama é conhecido
como diagrama TTT (tempo-
temperatura-transformação)
Transformação de Fases em Metais
Diagrama TTT - Perlita
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Fe-C 
composição
eutetóide.
Transformação de Fases em Metais
Diagrama TTT - Perlita
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Por que ocorre a
formação de perlita
fina e perlita grossa
quando modificamos
a temperatura da
isoterma? Existem
diferenças nas
propriedades
mecânicas? Por quê?
Transformação de Fases em Metais
Perlita
51Perlita grosseira Perlita fina
Transformação de Fases em Metais
Bainita (microconstituinte)
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A bainita também é
constituída por
ferrita e cementita,
no entanto, é
formada em
temperaturas mais
baixas (entre ≈215 e
540 °C).
Transformação de Fases em Metais
Bainita (microconstituinte)
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Faça um tratamento
térmico em um aço
eutetóide para obter
uma estrutura
totalmente bainítica.
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Esferoidita
Se mantermos um aço abaixo da temperatura eutetóide
(≈700 °C) por um tempo relativamente grande (entre 18
e 24 horas), obtemos uma microestrutura formada por
cementita na forma globular envolvida por uma matriz
ferrítica;
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Transformação de Fases em Metais
Esferoidita
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A força motriz para a formação
da cementita na forma globular
ou esferoidal é a redução da
área de contorno (interfase)
entre as fases ferrita e
cementita.
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Martensita
✓ A martensita é formada quando um aço austenitizado é
resfriado rapidamente até baixas temperaturas (ambiente);
✓ É uma fase metaestável;
✓ A transformação martensítica ocorre quando a taxa de
resfriamento é rápida o suficiente para prevenir a difusão
de carbono.
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Transformação de Fases em Metais
Martensita
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Tetragonal de corpo centrado
A morfologia da martensita
também pode ser diferente
dependendo da composição e
do processamento do metal.
Martensita na forma de
ripas (tipo folha de
grama)
Martensita na forma de
placas paralelas.
Transformação de Fases em Metais
Martensita
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A temperatura de início
da transformação
martensítica varia
conforme a composição
da liga.
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Comportamento Mecânico - Perlita
✓ A cementita é mais dura e frágil que a ferrita;
✓ Controlando as frações de ferrita e cementita na perlita,
podemos modificar a resistência mecânica do aço.
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Transformação de Fases em Metais
Comportamento Mecânico - Perlita
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Transformação de Fases em Metais
Comportamento Mecânico – Perlita vs Esferoidita
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Transformação de Fases em Metais
Comportamento Mecânico – Perlita vs Bainita
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Transformação de Fases em Metais
Comportamento Mecânico – Martensita
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Dentre as fases/microconstituintes
que as ligas Fe-C podem apresentar,
a martensita é a que apresenta
maior dureza e menor ductilidade.
Estas propriedades estão associadas
com o endurecimento por solução
sólida provocado pelo carbono.
Transformação de Fases em Metais
Martensita Revenida
Novo microconstituinte: Durante o aquecimento a martensita é
transformada em um novo microconstituinte, um agregado de
ferro e cementita (sorbita ou martensita revenida);
A martensita revenida é quase tão dura quanto a martensita,
porém, bem menos frágil.
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Transformação de Fases em Metais
Martensita Revenida
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Martensita revenida. 1000x
Transformação de Fases em Metais
Exemplos de Tratamentos Térmicos
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Martempera Austempera
Transformação de Fases em Metais
Exemplos de Tratamentos Térmicos
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Transformação de Fases em Metais
Resumo das Possíveis Transformações
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