PCM - Transp 10b

Prévia do material em texto

Princípios de Ciências dos 
Materiais
EET310 – Eng. de PetróleoEET310 – Eng. de Petróleo
2
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de 
Materiais
Profª. Gabriela Ribeiro Pereira
gpereira@metalmat.ufrj.br
Aço perlítico
com cementita 
Ericksson Rocha e Almendra
3
com cementita 
parcialmente 
globulizada
O que vamos aprender...O que vamos aprender...O que vamos aprender...O que vamos aprender...
TRANSFORMAÇÃO DE 
FASES
• Transformar uma fase em outra leva tempo 
Fe
Feγ
(austenita)
Transformação
eutetóide
Fe3C 
(cementita)
Feα
+
4
• Como a velocidade de transformação depende do
tempo e da temperatura 
• Como podemos diminuir a velocidade de
transformação de forma a obter estruturas fora do
equilíbrio? 
(austenita)
C CFC
Feα
(ferrita)
+
(CCC)
Transformação de Fase
O progresso de uma transformação de O progresso de uma transformação de O progresso de uma transformação de O progresso de uma transformação de 
fases pode ser dividido em dois estágios fases pode ser dividido em dois estágios fases pode ser dividido em dois estágios fases pode ser dividido em dois estágios 
distintos: distintos: distintos: distintos: nucleação e crescimentonucleação e crescimentonucleação e crescimentonucleação e crescimento....
5
A nucleação envolve o surgimento de A nucleação envolve o surgimento de A nucleação envolve o surgimento de A nucleação envolve o surgimento de 
partículas, os núcleos, muito pequenas da partículas, os núcleos, muito pequenas da partículas, os núcleos, muito pequenas da partículas, os núcleos, muito pequenas da 
nova fase, que são capazes de crescer.nova fase, que são capazes de crescer.nova fase, que são capazes de crescer.nova fase, que são capazes de crescer.
Transformação de Fase
Nucleação Nucleação Nucleação Nucleação 
– núcleos(sementes) agem como moldes p/crescimento dos núcleos(sementes) agem como moldes p/crescimento dos núcleos(sementes) agem como moldes p/crescimento dos núcleos(sementes) agem como moldes p/crescimento dos 
cristaiscristaiscristaiscristais
– para formação dos núcleos, taxa de adição de átomos tem para formação dos núcleos, taxa de adição de átomos tem para formação dos núcleos, taxa de adição de átomos tem para formação dos núcleos, taxa de adição de átomos tem 
que ser maior do que taxa de perdaque ser maior do que taxa de perdaque ser maior do que taxa de perdaque ser maior do que taxa de perda
– uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.
6
– uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.uma vez nucleado, crescimento até alcançar o equilíbrio.
Força motriz da nucleação aumenta com Força motriz da nucleação aumenta com Força motriz da nucleação aumenta com Força motriz da nucleação aumenta com ∆∆∆∆TTTT
– superresfriamentossuperresfriamentossuperresfriamentossuperresfriamentos
– superaquecimentosuperaquecimentosuperaquecimentosuperaquecimento
Pequeno superresfriamento Pequeno superresfriamento Pequeno superresfriamento Pequeno superresfriamento ���� nucleação lenta nucleação lenta nucleação lenta nucleação lenta ––––
poucos núcleos poucos núcleos poucos núcleos poucos núcleos –––– cristais grandescristais grandescristais grandescristais grandes
Grande superresfriamento Grande superresfriamento Grande superresfriamento Grande superresfriamento ���� nucleação rápida nucleação rápida nucleação rápida nucleação rápida ––––
muitos núcleos, cristais pequenosmuitos núcleos, cristais pequenosmuitos núcleos, cristais pequenosmuitos núcleos, cristais pequenos
Fração Transformada
• Fração transformada depende do tempo.
fração 
transformada tempo
y = 1− e
−ktn
Eq. de Avrami
y
log (t)
Temp.
fixa
0
0,5
1
t
0,5
7
log (t)0 t0,5
• r é freqüentemente muito pequeno: equilíbrio não é possível
• Taxa de transformação depende da Temperatura T.
r =
1
t
0,5
= Ae
−Q /RT
energia de ativação
1 10 102 104
0
50
100
y (%)
log (t) min
Ex: recristalização do Cu
Transformação e 
super-resfriamento 
• Pode ocorrer a: 
...727ºC (resfrie lentamente!)
...abaixo de 727ºC (“super-resfrie”)
• Sistema Fe-C: transf. eutetóide
1600
T(°C)
γ ⇒ α +Fe3C
0,77%C
0,022%C
6,7%C
Ericksson Rocha e Almendra
8
α
ferrita
1400
1200
1000
800
600
400
0 1 2 3 4 5 6 6
.
7
L
γ
austenita
γ+L
γ+Fe3C
Fe3C 
cementitaα+Fe3C
L+Fe3C
(Fe) Co, % C
Eutectóide:
0
.
7
7
727°C∆T
0
.
0
2
2
Super-resfr.
∆T
Ttransf.< 727ºC
Equilíbrio. Ttransf. = 727ºC
Transformação Eutetóide ~ ∆T
• Crescimento da perlita a partir da austenita 
γαα
α
Contorno 
de grão 
de austenita (γ)
cementita (Fe3C)
ferrita (α)
γ
Fluxo difusivo 
de C é necessário
α
γ γ
Ericksson Rocha e Almendra
9
γα
α
α
α
direção do 
crescimento
da perlita
γ
α
γ γ
α
• Taxa de reação
aumenta com ∆T.
675°C 
(∆T pequeno)
1 10 102 103
tempo(s)
0
50
100
y
 
(
%
 
p
e
a
r
l
i
t
a
)
0
50
100
600°C 
(∆T grande)
650°C
%
 
a
u
s
t
e
n
i
a
• Taxa de reação é resultado da nucleação e crescimentos dos cristais.
Nucleação e Crescimento
% Pearlita
0
50
100
Regime de 
nucleação
Regime de 
crescimento
log (tempo)t50
Taxa de nucleação aumenta com ∆T 
Taxa de crescimentos aumenta com T
Ericksson Rocha e Almendra
10
• Exemplos:
0 log (tempo)t50
Taxa de nucleação alta
T pouco abaixo de TE T moder. abaixo de TE T bem abaixo de TE
Taxa de nucleação baixa
Taxa de crescimento alta
γ γ γ
colônia de
perlita
Taxa de nucleação média.
Taxa de cresc. média Taxa de cresc. baixa
Diagramas de transformação 
isotérmica – curvas TTT
100
50
0
2 4
T=675°C
y
,
 
%
 
t
r
a
n
s
f
o
r
m
a
d
a
tempo(s)
Ericksson Rocha e Almendra
11
400
500
600
700
1 10 102 103 104 105
Austenita (estável)
TE (727°C)Austenita 
(instável)
Perlita
T(°C)
0
1 102 104
%
 
t
r
a
n
s
f
o
r
m
a
d
a
tempo(s)
tempo(s)
transformação isotérmica a 675°C
• Transformação
a T = 675ºC
• Sistema Fe-C,
Co = 0,77wt%C
Ex: história térmica no 
sistema Fe-C
• Composição eutetóide, Co = 0,77%wt C
• Início a T > 727oC
• Resfriamento rápido até 625oC e estabilizado
T(°C)
Austenita (estável)
TE (727°C)
Ericksson Rocha e Almendra
12
1 10 102 103 104 105 tempo (s)
500
600
700
γ γ
γγ
γγ
γ
Perlita
TE (727°C)
Morfologia da Perlita
• Ttransf logo abaixo de TE
- T alta: difusão rápida
- Perlita grosseira
Dois casos:
• Ttransf bem abaixo de TE
- T baixa: difusão lenta
- Perlita fina
Ericksson Rocha e Almendra
13
Bainita
• Bainita: T ~ 215º - 540ºC
-- ripas (fitas) de α com barras de Fe3C
-- controle por difusão.
800
T(°C)
Austenita (estável)
TE
Fe3C 
(cementita)
α (ferrita)
• Diagrama de transformação isotérmica
Ericksson Rocha e Almendra
14
10 103 105
tempo)
10-1
400
600
T(°C)
200
P
B
TE
100% bainita
fronteira perlita/bainita
100% perlita
A
A
5 µm
α (ferrita)
Taxa de formação da bainita:
rbainita = e
−Q /RT
Esferoidita
• Esferoidita:
- cristais de α com Fe3C esférico
- dependente da difusão
- resultado do aquecimento da bainita ou
perlita por longo tempo
- força motriz: redução da área interfacial 
α
(ferrita)
Fe3C 
(cementita)
Ericksson Rocha e Almendra
15
Reaquece a perlita ou 
bainita na T ~ 700º C 
durante 18 a 24h.
60 µm
(cementita)
10 103 105tempo(s)10-1
400
600
800
T(°C)
Austenita (estável)
200
P
B
TEA
A
Esferoidita
100% esferoidita
100% esferoidita
Martensita
• Martensita:
- Austenita Fe-γ(CFC) para Martensita (TBC- tetragonal de base centrada)
x
x x
x
x
x
sítio potential 
dos átomos de C
átomos
de Fe 
(envolve saltos atômicos simples)
m
Ericksson Rocha e Almendra
16
x
• Transformação γ - M 
-- muito rápida!
-- % transf. depende apenas de T
Agulhas de martensita
Austenita
6
0
µ
m
tempo(s)10103 10510-1
400
600
800
T(°C)
Austenita (estável)
200
P
B
TEA
A
S
M + A
M + A
M + A
0%
50%
90%
Exemplos de tratamentos
térmicos (1)
Ericksson Rocha e Almendra
17
Exemplos de tratamentos
térmicos (1)
• Co = Ceutetóide
• Três histórias ...
Caso 1
Rápido 
resfr.a: 
350°C 
250°C 
Parar 
por: 
104 s
102 s
Rápido 
resfr.a:
Tambiente
Tambiente
Parar 
por: 
Rápido 
resfr.a: 
Ericksson Rocha e Almendra
18
tempo(s)10 103 10510-1
400
600
800
T(°C)
Austenita (estável)
200
P
B
A
S
M + A
M + A
M + A
0%
50%
90%
100% Bainita
A
100%A 100%B
250°C 
650°C
10 s
20s
Tambiente
400°C 103s Tambiente
Exemplos de tratamentos
térmicos (2)
• Co = Ceutetóide
• Três histórias ...
Rápido 
resfr.a: 
350°C 
250°C 
Parar 
por: 
104 s
102 s
Rápido 
resfr.a:
Tambiente
Tambiente
Parar 
por: 
Rápido 
resfr.a: 
Caso 2
Ericksson Rocha e Almendra
19
250°C 
650°C
10 s
20s
Tambiente
400°C 103s Tambiente
tempo(s)10 103 10510-1
400
600
800
T(°C)
Austenita (estável)
200
P
B
A
S
M + A
M + A
M + A
0%
50%
90%
100% Martensita 
A
100%A
Exemplos de tratamentos
térmicos (3)
• Co = Ceutetóide
• Três histórias ...
Rápido 
resfr.a: 
350°C 
250°C 
Parar 
por: 
104 s
102 s
Rápido 
resfr.a:
Tambiente
Tambiente
Parar 
por: 
Rápido 
resfr.a: 
800
T(°C)
Austenita (estável)
Caso 3
Ericksson Rocha e Almendra
20
250°C 
650°C
10 s
20s
Tambiente
400°C 103s Tambiente
tempo(s)10 103 10510-1
400
600
T(°C)
200
P
B
A
S
M + A
M + A
M + A
0%
50%
90%
A
50%P, 50%A
50%P, 50%A
100%A
50%P, 50%B
Propriedades mecânicas:
Sistema Fe-C (1)
• Efeito da % de C
l
b
)
Co>0,77 %wt C 
Hiper eutetóide
Co<0,77 %wt C 
Hipo eutetóide
Perlita (med.)
ferrita (macia)
Perlita (med.)
Cementita
(dura)
Ericksson Rocha e Almendra
21
• Maior %C: LRT e LE aumenta, %Al diminui.
%C
0 0,5 1
0
50
100
%Al
E
n
e
r
g
i
a
 
d
e
 
i
m
p
a
c
t
o
 
I
z
o
d
,
 
f
t
-
l
b
)
0
40
80
300
500
700
900
1100
LE(MPa)
LRT(MPa)
%C
0 0,5 1
dureza
0
,
7
7
0
,
7
7
Hipo HiperHipo Hiper
Propriedades mecânicas:
Sistema Fe-C (2)
• Perlita fina x perlita grosseira x esferoidita
320
Perlita
fina 60
90
D
u
c
t
i
l
i
d
a
d
e
 
(
%
A
l
)
esferoidita
Hipo Hiper Hipo Hiper
Ericksson Rocha e Almendra
22
• Dureza fina > grosseira > esferoidita 
• %Al: fina < grosseira < esferoidita
80
160
240
%C
0 0.5 1
D
u
r
e
z
a
 
B
r
i
n
e
l
l fina
perlita
grosseira
esferoidita
0
30
60
%C
0 0.5 1
D
u
c
t
i
l
i
d
a
d
e
 
(
%
A
l
)
perlita
fina 
perlita
grosseira
esferoidita
Propriedades mecânicas:
Sistema Fe-C (3)
• Perlita fina vs Martensita:
600
D
u
r
e
z
a
 
B
r
i
n
e
l
l
 
martensita
Hipo Hiper
Ericksson Rocha e Almendra
23
• Dureza: perlita fina << martensita.
0
200
wt%C
0 0.5 1
400
D
u
r
e
z
a
 
B
r
i
n
e
l
l
 
martensita
perlita fina
Martensita revenida
Revenido: elevação da temperatura, abaixo da 
temperatura eutetóide, por tempo pré-determinado
LE(MPa)
LRT(MPa)
1600
1800
LRT
9 µm
• reduz a fragilidade da martensita
• reduz a tensão interna causada
pela têmpera
Ericksson Rocha e Almendra
24
• Diminui o LRT e o LE, mas aumenta a %Al
800
1000
1200
1400
1600
30
40
50
60
200 400 600
T de revenido(°C)
%Al
LE
%Al
9 µm
• Produz partículas extremamente pequenas de Fe3C circundadas por matriz de α
Resumo: opções de 
processamento
Adapted from 
Fig. 10.27, 
Austenita (γ)
BainitaPerlita Martensita
resfriamento
lento 
resfriamento
moderado
resfriamento
rápido
Ericksson Rocha e Almendra
25
Fig. 10.27, 
Callister 6e.
Bainita
(α + Fe3C placas/agulhas)
Perlita
(camadas de α + Fe3C
fase proeutetóide) 
Martensita
(fase TBC
transformação
sem difusão) 
Martensita
revenida 
( α + partículas
muito finas de Fe3C )
reaquecimento
R
e
s
i
s
t
ê
n
c
i
a
D
u
c
t
i
l
i
d
a
d
emartensita
martensita rev.
bainita
perlita fina
perlita grosseira
esferoidita 
Tendência
Geral