9 - Forma e distribuição de fases

Prévia do material em texto

GRUPO DE ESTUDOS SOBRE FRATURA DE MATERIAIS 
DEMET/EM/UFOP 
FORMA E DISTRIBUIÇÃO DE FASES
ESTRUTURA DE MATERIAIS
A formação de uma microestrutura
Microestrutura
Monocristal
Policristal
monofásico
Policristal
polifásico
Processamento
Solidificação
Deformação
Tratamentos 
térmicos
Seqüência de formação da microestrutura de um material
sólido, a partir do líquido = processo de solidificação (fundição).
Monocristal e Policristal
Comparação entre os arranjos atômicos no estado 
líquido e no estado sólido.
• Monocristais
-As propriedades variam com a
direção: anisotropia.
-Exemplo: o módulo de
elasticidade (E) no ferro CCC:
• Policristais
-As propriedades podem / não podem
variar com a direção.
-Se os grão são aleatoriamente
orientados: isotropia.
(Epoly iron = 210 GPa)
-Se os grão são orientados,
anisotropia.
200 m
Monocristais X Policristais
E (diagonal) = 273 GPa
E (edge) = 125 GPa
• Algumas aplicações de engenharia requerem monocristais:
• As propriedades de materiais cristalinos 
geralmente são relacionadas com a estrutura 
cristalina.
-- Ex.: o quartzo fratura mais facilmente 
ao longo de alguns planos cristalinos do 
que em outros.
-- monocristais de diamante 
para abrasivos.
-- paletas de 
turbinas.
Cristais como blocos de construção
Monocristais na indústria
de circuitos integrados.
Refino zonal
Forno Czochralski
Solidificação de monocristais
Forno Bridgman-Stockbarger
Policristal monofásico
Austenita
Ferrita
Policristal polifásico
Perlita
Ferro fundido austemperado
Comparação entre o lingotamento convencional e o lingotamento contínuo.
LINGOTAMENTO CONVENCIONAL
LINGOTAMENTO CONTÍNUO
Solidificação de policristais
Diferentes estruturas em um lingote: zona equiaxial fina (EF), zona colunar (C), e zona
equiaxial central (EC). A extensão de cada zona depende do material solidificado e das
condições de solidificação. À esquerda,corte longitudinal (parcial); à direita, corte transversal.
Estas estruturas ocorrem tanto no lingotamento convencional quanto no lingotamento
contínuo.
Esquema de crescimento dendrítico transformando-se em grãos do material.
Transição da zona de cristais equiaxiais finos (EF) para a zona de crescimento
colunar (C). Os grãos com orientação cristalográfica favorável em relação à
direção de extração de calor crescem mais rápido e dominam a estrutura.
Esquema da solidificação dendrítica. As regiões escuras no líquido adjacente às dendritas
representam concentrações de átomos de solutos rejeitados a partir das dendritas sólidas
(segregação interdendrítica).
Outro esquema da solidificação dendrítica. Convecção líquida, efeitos de deformação, e
regiões (pequenas áreas circulares brancas) onde os braços dendríticos cresceram juntos e
ocorreu rechupe interdendrítico.
Dendritas formadas durante a
solidificação de uma liga nióbio-
cobre, rica em nióbio. MEV.
Dendritas em aço baixo-carbono. MEV.
Grãos colunares em 
áreas com menor 
resfriamento
“Casca” de grãos 
equiaxiais devido ao 
rápido resfriamento 
(maior T) próximo 
das paredes.
Refino de grão - realizado para tornar os grãos menores, mais uniformes, equiaxiais.
fluxo de 
calor
Os grãos podem ser - equiaxiais (praticamente o mesmo tamanho em todas as direções)
- colunares (grãos alongados)
~ 8 cm
Solidificação de um 
lingote de chumbo.
• Os materiais de engenharia são na maioria policristais.
• Placa de Nb-Hf-W com solda por feixe de elétrons.
• Cada "grão" é um monocristal.
• Se os grãos são orientados aleatoriamente,
as propriedades do material não são direcionais.
• Tamanhos de grãos típicos estão na faixa de 1 nm a 2 cm
(i.e., de poucas a milhões de camadas atômicas).
1 mm
Isotrópico
Anisotrópico
Policristais
Dobramento
Forjamento
Laminação
Trefilação
Embutimento
Profundo
Estiramento
Matriz
Cisalhamento
ExtrusãoExtrusão
Tratamentos termomecânicos
Comparação entre os grãos da microestrutura, após uma
deformação plástica e após um tratamento térmico.
Estruturas de Conformação
Alterações 
microestruturais
Fibramento
Textura
Bandeamento
Recristalização
Tratamentos 
termomecânicos
(a) Alinhamento de grãos numa placa de liga de alumínio Al-7075-T651.
(b) Alinhamento de inclusões de MnS numa placa de aço laminado a quente.
Fibramento
Al-2024 T-351
Inclusões em aço C-Mn
• A anisotropia pode ser introduzida em um metal policristalino 
através de sua laminação
- antes da laminação
235 m
- isotrópico
uma vez que os 
grãos são aprox. 
esféricos e 
aleatoriamente 
orientados.
- após a laminação
- anisotrópico
uma vez que a laminação afeta a 
orientação e a forma dos gãos.
direção de laminação
Efeito do trabalho a quente sobre a macroestrutura de um aço. (a) Estrutura
dendrítica do lingote original. (b) Seção longitudinal, após redução para 1/5 da
área da seção transversal do lingote. (c) Seção longitudinal, após redução para
1/30 da área da seção transversal do lingote.
Efeito do trabalho a quente sobre a macroestrutura de um aço. (d Seção
longitudinal, após redução para 1/150 da área da seção transversal do lingote.
(e) Seção transversal ao corpo-de-prova de tração longitudinal ao material
apresentado em (d). (f) Seção transversal ao corpo-de-prova de tração
transversal ao material apresentado em (d).
Efeito da orientação de corpos-de-prova e do teor de impurezas na
tenacidade à fratura de ligas de alumínio
Um monocristal experimenta certa rotação quando deforma-se plasticamente em
um particular sistema de deslizamento.
Quando um policristal é deformado, cada grão aleatoriamente orientado vai deslizar
em seu apropriado sistema de deslizamento e sofrer rotação a partir de sua condição
original, mas desta vez com restrição causada pelos seus grãos vizinhos.
Consequentemente, uma forte orientação preferencial, ou textura, será desenvolvida
após grandes deformações: certos planos de deslizamento tendem a se alinhar
paralelamente ao plano de conformação mecânica, enquanto algumas direções de
deslizamento tendem a se alinhar paralelamente à direção da conformação
mecânica.
Um material fortemente texturado deve exibir propriedades altamente
anisotrópicas. Neste caso, o endurecimento pode ocorrer devido à aplicação
imediata do conceito de tensão cisalhante resolvida.
Textura
Texturas de fibra em um arame (a) e textura de chapa em uma placa (b). As posições das
células unitárias representam as orientações dos diferentes grãos.
A textura pode se desenvolver em um material durante uma ou
mais operações de processamento, tais como fundição,
conformação mecânica e recozimento.
a : ausência de textura
b : textura de Goss
c: textura cúbica
Texturas de recristalização de chapas de liga Fe-Si.
Método EBSD – exemplo de aplicação: ACESITA, aço AISI 430
Aplicação para textura: aço-silício de grão orientado GO.
Fluxo magnético em função do campo
magnético, para três direções
cristalográficas do ferro. A
magnetização completa é obtida mais
facilmente na direção [100].
Aplicação para textura: aço IF para estampagem.
Aço IF com TiN.
Efeito do teor de carbono e do grau de
redução a frio no coeficiente de
anisotropia normal.
Bandeamento
O bandeamento se manifesta, normalmente, pela formação de bandas alternadas de perlita e
de ferrita ou de outros constituintes, com variação significativa do teor de carbono.
O mecanismo de formação do bandeamento está relacionado com a segregação de
elementos substitucionais durante a solidificação.
Quando o aço é austenitizado, esta segregação não é eliminada, devido à baixa difusividade
destes elementos. Assim, diferentes regiões do aço (bandas) têm diferentes composições
químicas e, consequentemente, diferente comportamento na transformação de
decomposição da austenita. A decomposição da austenita se inicia nas regiões mais pobres
em elementos de liga que estabilizem esta fase (ou, alternativamente, mais ricas em
elementos de liga queestabilizem a ferrita). Se o aço é resfriado com velocidade
suficientemente lenta para permitir a difusão do carbono, este elemento é rejeitado pelas
regiões que se transformam para ferrita inicialmente (em vista da baixa solubilidade nesta
fase) e se concentra nas regiões que permanecem austeníticas. Quando estas regiões se
transformam, estão suficientemente ricas em carbono para formar constituintes bastante
diferentes do que seria a estrutura “média” do aço. Em particular, é comum que se
transformem em perlita em aços estruturais de baixo e médio carbono normalizados ou
resfriados ao ar após a laminação a quente.
Variação das concentrações de Mn e de C na seção transversal de uma barra de aço
AISI 4140, com composição nominal de 0,40%C e 1,0%Mn. Existe uma elevada
variação no teor de Mn, consistente com sua segregação interdendrítica durante a
solidificação e sua lenta difusividade de átomo substitucional. Por outro lado, a variação
no teor de C é pequena, consistente com sua rápida difusividade de átomo intersticial.
Há também uma relação entre o Mn e o C. O Mn abaixa a atividade do C, abaixando
então a sua concentração: regiões ricas em Mn tendem a atrair C. O Cr, similarmente,
abaixa a atividade do C, enquanto P, Si e Ni aumentam a atividade do C, causando
rejeição de C em regiões ricas destes elementos.
Bandeamento em aço do tipo API X-65, MO e MEV, 500X.
Recristalização
Quando a energia de deformação armazenada no material atinge
determinado nível, que depende, basicamente, do material e da
temperatura, ocorre a nucleação de novos grãos não deformados.
Este fenômeno é chamado de recristalização.
Além de praticamente eliminar o aumento de resistência
mecânica associado ao encruamento, a recristalização produz
novos grãos.
O efeito deste processo de recristalização é, na média, uma
redução do tamanho de grão austenítico em relação ao produto
fundido.
Esquema ilustrativo da evolução da microestrutura durante o trabalho a quente
(no exemplo, laminação). Duas possibilidades estão ilustradas. Quando a
recristalização se inicia ainda durante a deformação, tem-se a recristalização
dinâmica. Se um intervalo de tempo após a deformação é necessário para a
recristalização inicial, tem-se a recristalização estática.
Ilustração esquemática da curva tensão-deformação quando a
recristalização dinâmica ocorre. A recristalização elimina o
encruamento e mantém a carga necessária para a deformação plástica
em níveis razoáveis ao longo do processo.
Influência do grau de redução no
trabalho a quente sobre o grão
austenítico médio para duas
estruturas do lingote original. Aço
contendo C=0,11%; Mn=0,62%;
Ni=3,7%; Cr=0,25%; Mo=0,18%.
33% cold worked brass New crystals nucleate after
3 sec. at 580 C.
0.6 mm 0.6 mm
After 4 seconds
After 8 seconds
0.6 mm
After 15 min, 580ºC
0.6 mm
0.6 mm
Recristalização e
crescimento de grão
em uma amostra de
latão.
Recristalização a partir do recozimento. (a) Microestrutura de um aço
com 0,003%C, grau de redução de 60% a frio. (b) Microestrutura deste
aço após recozimento a 540oC por 2 horas. Cerca de 80% da
microestrutura laminada a frio foi recristalizada para grãos equiaxiais
finos de ferrita.
Porcentagem volumétrica de ferrita recristalizada em um aço laminado
a frio contendo C=0,08%; Mn=1,45%; Si=0,21%, em função do tempo
de imersão em banho de sais fundidos em diversas temperaturas.
Tratamentos Térmicos 
Convencionais
Recozimento
Têmpera e 
Revenido
Precipitação
Recozimento e Têmpera
400
500
600
700
Austenite (stable)
TE (727 C)
Austenite 
(unstable)
Pearlite
T(°C)
1 10 10 2 10 3 10 4 10 5
time (s)
Curva de resfriamento para obtenção da perlita.
10 10
3
10
5 time (s)10 -1
400
600
800
T(°C)
Austenite (stable)
200
P
B
TE
A
A
M + A
M + A
M + A
0%
50%
90%
Recozimento e Têmpera
Curva de resfriamento para obtenção da martensita.
Aço perlita-ferrita, obtido por recozimento
Aço martensítico, obtido por têmpera
Precipitação
Curva de resfriamento para obtenção de precipitação.
(a) Precipitados ’ (CuAl2) numa liga Al-Cu
envelhecida a 240oC.
(b) Precipitados ’ na matriz e no contorno
de grão (MgZn2) numa liga Al-6Zn-3Mg
envelhecida a 180oC.
(c) Precipitados ’ numa liga Al-Li
envelhecida a 190oC, incluindo precipitação
numa partícula ’ (Al3Zr).
(a)
(b)
(c)
Dureza de um aço
contendo diversas
microestruturas.
Laminação Convencional X Laminação Controlada
Conformação a quente de aço com transformação de fase no resfriamento:
a) Convencional: Embora a estrutura seja controlada durante a conformação, pela combinação de deformação e
temperaturas adequadas, as propriedades finais são definidas em um tratamento térmico posterior.
b) Tratamento termo-mecânico: A conformação “controlada” conduz a um tamanho de grão austenítico reduzido.
Este tamanho de grão reduzido favorece a nucleação dos constituintes finais do aço. Com o resfriamento
controlado, pode ser possível eliminar a necessidade de tratamento térmico posterior.
Aços obtidos por 
laminação controlada
HSLA DP TRIP TWIP
Fonte: Godefroid,L.B., II Workshop ABM, 2008 
A produção de aços por lamnação controlada constitui um importante capítulo na
“metalurgia física dos aços”, isto é, nas relações entre composição química,
processamento, microestrutura e propriedades.
Estratégia de laminação controlada para o desenvolvimento de aços
multifásicos laminados a quente. Fonte: W.Bleck, 2002.
Alterações microestruturais durante a laminação. Quando não ocorre recristalização da austenita,
obtem-se grãos austeníticos menores e/ou alongados. A nucleação da ferrita é favorecida nestas
condições, resultando em grão ferrítico mais fino no produto da laminação controlada. O resfriamento
acelerado, após a laminação, também favorece a formação de grão ferrítico fino.
Aço ferrita (F) + bainita (B) obtido por laminação controlada.
F
B
Aço ferrita (F) + martensita (M) obtido por laminação controlada.
F
M
Presença de martensita em aço TRIP. Fonte: M.H.Ferrer, EPUSP, 2003.
Aço TWIP. Fonte: H.Bhadeshia, Cambridge University.