7 - Diagramas Isotérmicos
7.1 - Introdução 7.1 - Introdução
Quando analisamos um diagrama de equilíbrio como é o caso do diagrama Quando analisamos um diagrama de equilíbrio como é o caso do diagrama metaestável ferro-cementita vemos que existem várias transformações que ocorrem a metaestável ferro-cementita vemos que existem várias transformações que ocorrem a temperaturas determinadas e que são dependentes da temperatura e da composição. Estas temperaturas determinadas e que são dependentes da temperatura e da composição. Estas transformações ocorrem pa
transformações ocorrem para resfriamentos muito lentos e ra resfriamentos muito lentos e em em temperaturas determinadtemperaturas determinadas.as. Mas o que irá ocorrer quando tivermos velocidades de resfriamento mais rápidas que não Mas o que irá ocorrer quando tivermos velocidades de resfriamento mais rápidas que não permitam a transformação em equilíbrio ? Isto é o que nos
permitam a transformação em equilíbrio ? Isto é o que nos é mostrado por um outro tipo deé mostrado por um outro tipo de diagrama que é chamado de
diagrama que é chamado de Diagrama Isotérmico ou Diagrama TTT (tempo-Diagrama Isotérmico ou Diagrama TTT (tempo- temperatura-transformação)
temperatura-transformação). Estes diagramas nos dão um mapa do que acontece. Estes diagramas nos dão um mapa do que acontece quando, através de um resfriamento rápido, levamos a austenita para temperaturas abaixo quando, através de um resfriamento rápido, levamos a austenita para temperaturas abaixo daquelas de equilíbrio onde a mesma é instável e mantemos o aço a esta temperatura por daquelas de equilíbrio onde a mesma é instável e mantemos o aço a esta temperatura por um tempo determinado. Neste caso teremos que considerar um fator que não precisa ser um tempo determinado. Neste caso teremos que considerar um fator que não precisa ser considerado no diagrama de equilíbrio que é o tempo. Isto significa dizer que as considerado no diagrama de equilíbrio que é o tempo. Isto significa dizer que as transformações que irão concorrer são dependentes do tempo e que teremos a transformações que irão concorrer são dependentes do tempo e que teremos a transformação parcial ou total do aço dependendo do tempo em que o mesmo for deixado transformação parcial ou total do aço dependendo do tempo em que o mesmo for deixado nesta temperatura. A seguir teceremos uma série de considerações a respeito do que nesta temperatura. A seguir teceremos uma série de considerações a respeito do que acontece quando abaixamos rapidame
acontece quando abaixamos rapidamente a temperatura de um aço no nte a temperatura de um aço no estado austenítico atéestado austenítico até temperaturas abaixo da eutetóide quando a
temperaturas abaixo da eutetóide quando a mesma é então estabilizada.mesma é então estabilizada.
7.2 - Efeito da Temperatura de Transformação da Perlita. 7.2 - Efeito da Temperatura de Transformação da Perlita.
Na
Na figura figura 7.1 7.1 vemos vemos um um gráfico gráfico que que nos nos mostra mostra a a variação variação da da velocidade velocidade dede transformação da perlita de acordo com a temperatura em que a mesma se processa. Como transformação da perlita de acordo com a temperatura em que a mesma se processa. Como pode ser
pode ser visto visto estas são estas são temperaturas de temperaturas de transformação abaixo transformação abaixo da da temperatura eutetóide temperatura eutetóide ee existe uma variação bastante acentuada na velocidade à medida em que as transformações existe uma variação bastante acentuada na velocidade à medida em que as transformações ocorrem a temperaturas mais baixas.
ocorrem a temperaturas mais baixas.
Este gráfico deve ser entendido da seguinte maneira: ao levarmos um aço eutetóide Este gráfico deve ser entendido da seguinte maneira: ao levarmos um aço eutetóide até uma temperatura em que o mesmo se torna totalmente austenítico obtemos uma fase até uma temperatura em que o mesmo se torna totalmente austenítico obtemos uma fase que é estável. Se agora fizermos um resfriamento rápido não permitiremos que a austenita que é estável. Se agora fizermos um resfriamento rápido não permitiremos que a austenita se transforme nas temperaturas usuais determinadas pelo diagrama de equilíbrio. Esta se transforme nas temperaturas usuais determinadas pelo diagrama de equilíbrio. Esta austenita, então, passa a ser uma austenita instável que está prestes a se transformar pois austenita, então, passa a ser uma austenita instável que está prestes a se transformar pois nas temperaturas abaixo da eutetóide a mesma possui uma energia adicional que tende a nas temperaturas abaixo da eutetóide a mesma possui uma energia adicional que tende a
na configuração característica de perlita. Agora, como esta transformação implica em na configuração característica de perlita. Agora, como esta transformação implica em difusão atômica, deveremos ter um certo intervalo de tempo para que a reação se processe difusão atômica, deveremos ter um certo intervalo de tempo para que a reação se processe e como os fatores que governam a nucleação da nova fase e a difusão são dependentes do e como os fatores que governam a nucleação da nova fase e a difusão são dependentes do tempo teremos velocidades variáveis com a temperatura. Assim, para temperaturas tempo teremos velocidades variáveis com a temperatura. Assim, para temperaturas próximas
próximas da da eutetóide, eutetóide, a a velocidade velocidade de de transformação é transformação é baixa, baixa, aumentando à aumentando à medida medida emem que se diminui a temperatura.
que se diminui a temperatura.
Figura 7.1 -
Figura 7.1 - Velocidade de crescimento da perlita em função da temperatura de reação emVelocidade de crescimento da perlita em função da temperatura de reação em uma liga ferro-carbono de
uma liga ferro-carbono de composição eutetóidecomposição eutetóide(11)(11)..
Da mesma forma que existe a variação na velocidade de transformação da perlita Da mesma forma que existe a variação na velocidade de transformação da perlita com a temperatura, também a espessura das lamelas varia com a temperatura. Embora este com a temperatura, também a espessura das lamelas varia com a temperatura. Embora este fenômeno não seja muito bem compreendido o fato é que quanto mais baixa for a fenômeno não seja muito bem compreendido o fato é que quanto mais baixa for a temperatura de transformação, menor será o
temperatura de transformação, menor será o espaçamento interlamelar da perlita.espaçamento interlamelar da perlita.
7.3 - Velocidade de Nucleação da Perlita 7.3 - Velocidade de Nucleação da Perlita
A velocidade de nucleação da perlita, isto é, a velocidade com que ocorre a A velocidade de nucleação da perlita, isto é, a velocidade com que ocorre a transformação da austenita para lamelas de ferrita e cementita é um fenômeno que está transformação da austenita para lamelas de ferrita e cementita é um fenômeno que está associado à temperatura e ao aparecimento de uma energia livre de transformação, associado à temperatura e ao aparecimento de uma energia livre de transformação, descontada a energia de formação das interfaces de ferrita e cementita. Esta energia livre descontada a energia de formação das interfaces de ferrita e cementita. Esta energia livre restante será utilizada para a difusão do carbono da austenita para a cementita e para a restante será utilizada para a difusão do carbono da austenita para a cementita e para a transformação da austenita para ferrita e para cementita. Isto conduz à formação transformação da austenita para ferrita e para cementita. Isto conduz à formação heterogênea de núcleos a partir do contorno de grão da austenita. A velocidade de heterogênea de núcleos a partir do contorno de grão da austenita. A velocidade de formação destes
formação destes núcleos é núcleos é dependente da dependente da temperatura. Por temperatura. Por exemplo, para exemplo, para temperaturastemperaturas logo abaixo da eutetóide, somente se
logo abaixo da eutetóide, somente se formam uns poucos núcleos e devido à formam uns poucos núcleos e devido à velocidade develocidade de desenvolvimento dos mesmos se formam grandes nódulos de perlita, o que irá influir desenvolvimento dos mesmos se formam grandes nódulos de perlita, o que irá influir
também no espaçamento entre as lamelas. Para
também no espaçamento entre as lamelas. Para temperaturas mais baixas existe a formaçãotemperaturas mais baixas existe a formação de uma grande quantidade de núcleos e uma vez que estes se formam a uma velocidade de uma grande quantidade de núcleos e uma vez que estes se formam a uma velocidade maior do que a sua velocidade de desenvolvimento haverá a formação de um número maior do que a sua velocidade de desenvolvimento haverá a formação de um número maior de colônias de perlita, fazendo com que aumente a velocidade de reação e maior de colônias de perlita, fazendo com que aumente a velocidade de reação e diminuindo o espaçamento entre as lamelas.
diminuindo o espaçamento entre as lamelas.
7.4 - A Reação Bainítica 7.4 - A Reação Bainítica
Tudo aquilo que foi descrito anteriormente a respeito da transformação da austenita Tudo aquilo que foi descrito anteriormente a respeito da transformação da austenita para
para perlita perlita tem tem validade validade somente somente até até temperaturas temperaturas intermediárias, intermediárias, da da ordem ordem de de 500500ooC.C. Embora muitos dos conceitos acima expostos tenham validade para temperaturas inferiores Embora muitos dos conceitos acima expostos tenham validade para temperaturas inferiores o fato é que para esta faixa de temperaturas fenômenos tais como nucleação, dependência o fato é que para esta faixa de temperaturas fenômenos tais como nucleação, dependência com a temperatura e difusão atômica irão ocorrer, mas o produto formado apresenta com a temperatura e difusão atômica irão ocorrer, mas o produto formado apresenta características microestruturais bastante diferentes da perlita e por isto leva o nome de características microestruturais bastante diferentes da perlita e por isto leva o nome de bainita para que poss
bainita para que possa ser diferenciada da ea ser diferenciada da estrutura anterior.strutura anterior.
Da mesma forma que a perlita, a bainita não é uma fase mas sim uma mistura de Da mesma forma que a perlita, a bainita não é uma fase mas sim uma mistura de fases em que existe a convivência de regimes de alta concentração de carbono originando fases em que existe a convivência de regimes de alta concentração de carbono originando carbonetos de ferro que
carbonetos de ferro que estão finamente dispersos sobre uma matriz praticamente isenta estão finamente dispersos sobre uma matriz praticamente isenta dede carbono que é a ferrita. Ainda semelhante à perlita, a reação bainítica ocorre através de carbono que é a ferrita. Ainda semelhante à perlita, a reação bainítica ocorre através de difusão de átomos e, portanto, a mesma é dependente da temperatura em que ocorre a difusão de átomos e, portanto, a mesma é dependente da temperatura em que ocorre a transformação e do tempo em que o aço permanece a esta temperatura. Diferentemente transformação e do tempo em que o aço permanece a esta temperatura. Diferentemente entretanto da perlita, a bainita não se apresenta em forma de lamelas, mas sim na forma de entretanto da perlita, a bainita não se apresenta em forma de lamelas, mas sim na forma de agulhas que formam placas. Cada placa de bainita é composta por um certo volume de agulhas que formam placas. Cada placa de bainita é composta por um certo volume de ferrita onde estão incrustradas partículas de carboneto. Além disso a bainita assume uma ferrita onde estão incrustradas partículas de carboneto. Além disso a bainita assume uma disposição diferente de suas placas na medida em que a mesma é formada a temperaturas disposição diferente de suas placas na medida em que a mesma é formada a temperaturas mais altas ou mais baixas. Para temperaturas mais altas, digamos a 450
mais altas ou mais baixas. Para temperaturas mais altas, digamos a 450ooC, a bainitaC, a bainita formada apresenta-se na forma de placas mais irregulares com carbonetos mais grosseiros formada apresenta-se na forma de placas mais irregulares com carbonetos mais grosseiros e alinhados segundo a direção preferencial da placa. Para temperaturas mais baixas, e alinhados segundo a direção preferencial da placa. Para temperaturas mais baixas, digamos a 250
digamos a 250ooC, a bainita irá apresentar-se na forma de placas mais regulares comC, a bainita irá apresentar-se na forma de placas mais regulares com carbonetos mais finos e é formando um ângulo com a direção de orientação da placa. Além carbonetos mais finos e é formando um ângulo com a direção de orientação da placa. Além disso o próprio carboneto formado é diferente. Para temperaturas mais altas o carboneto é disso o próprio carboneto formado é diferente. Para temperaturas mais altas o carboneto é aa própria
própria cementita, cementita, de de estrutura estrutura cristalina cristalina ortorrômbica ortorrômbica e e 6,7 6,7 % % de de carbono, enquanto carbono, enquanto queque para
para temperaturas temperaturas mais mais baixas, baixas, forma-se forma-se carboneto carboneto épsilon épsilon ((εε) com estrutura cristalina) com estrutura cristalina
hexagonal e 8,4 % de carbono. Desta forma deve-se fazer distinção entre o que seria hexagonal e 8,4 % de carbono. Desta forma deve-se fazer distinção entre o que seria
Outro aspecto importante a ser salientado é que a velocidade de transformação da Outro aspecto importante a ser salientado é que a velocidade de transformação da austenita para bainita é fortemente dependente dos fatores associados à nucleação e austenita para bainita é fortemente dependente dos fatores associados à nucleação e desenvolvimento da nova fase. Neste caso como a temperatura é baixa, a
desenvolvimento da nova fase. Neste caso como a temperatura é baixa, a energia livre, queenergia livre, que é dependente da diferença entre as temperaturas de estabilidade da austenita (temperatura é dependente da diferença entre as temperaturas de estabilidade da austenita (temperatura eutetóide) e da temperatura em que ocorre a transformação, é elevada e a formação de eutetóide) e da temperatura em que ocorre a transformação, é elevada e a formação de novos núcleos é muito intensa mas o seu desenvolvimento é prejudicado pela baixa novos núcleos é muito intensa mas o seu desenvolvimento é prejudicado pela baixa extração de calor. Isto irá fazer com que a velocidade de reação diminua à medida em que extração de calor. Isto irá fazer com que a velocidade de reação diminua à medida em que se diminui a temperatura.
se diminui a temperatura.
7.5 - Diagrama Isotérmico 7.5 - Diagrama Isotérmico
Na figura 7.2 vemos um
Na figura 7.2 vemos um diagrama isotérmico completo de um aço eutetóide. Comodiagrama isotérmico completo de um aço eutetóide. Como já
já foi foi dito, dito, um um diagrama diagrama isotérmico isotérmico ou ou diagrama diagrama TTT TTT é é um um diagrama diagrama que que nos nos mostra mostra asas reações que ocorrem nas temperaturas em que a austenita se torna instável, de acordo com reações que ocorrem nas temperaturas em que a austenita se torna instável, de acordo com os tempos de reação.
os tempos de reação.
Observando-se a figura 7.2, vemos que em um dos eixos estão plotadas as Observando-se a figura 7.2, vemos que em um dos eixos estão plotadas as temperaturas e no outro eixo estão plotados os tempos de reação em escala logarítmica. temperaturas e no outro eixo estão plotados os tempos de reação em escala logarítmica. Temos também duas curvas que correspondem aos tempos de início e de fim da Temos também duas curvas que correspondem aos tempos de início e de fim da transformação do aço.
transformação do aço.
Estas curvas representam a dependência da reação com o tempo, sendo que a Estas curvas representam a dependência da reação com o tempo, sendo que a primeira curva
primeira curva representa o início representa o início da transformação e a da transformação e a segunda curva representa o segunda curva representa o fim dafim da transformação. Nela podemos ver, segundo o que já foi
transformação. Nela podemos ver, segundo o que já foi exposto acima, que a velocidade deexposto acima, que a velocidade de transformação do aço é variável, tendo-se uma velocidade baixa para temperaturas transformação do aço é variável, tendo-se uma velocidade baixa para temperaturas próximas da eutetóide, velocidade esta que
próximas da eutetóide, velocidade esta que vai crescendo para temperaturas intermediáriasvai crescendo para temperaturas intermediárias e finalmente começa novamente a decrescer para as temperaturas mais baixas. Este fato e finalmente começa novamente a decrescer para as temperaturas mais baixas. Este fato produz
produz a a forma forma característica característica destes destes diagramas, diagramas, formado formado um um joelho joelho próximo próximo dos dos 500500ooC.C. Temos ainda próximo dos 200
Temos ainda próximo dos 200ooC uma isoterma que representa o início da transformaçãoC uma isoterma que representa o início da transformação martensítica (linha Ms), devendo-se observar que, tendo em vista a natureza desta reação martensítica (linha Ms), devendo-se observar que, tendo em vista a natureza desta reação em que não existe difusão dos átomos, a mesma não é dependente do tempo mas sim em que não existe difusão dos átomos, a mesma não é dependente do tempo mas sim unicamente da temperatura. Sendo assim, o progresso desta transformação só ocorre se unicamente da temperatura. Sendo assim, o progresso desta transformação só ocorre se diminuirmos a temperatura, e só teremos o aço completamente transformado quando se diminuirmos a temperatura, e só teremos o aço completamente transformado quando se chega próximo da temperatura ambiente.
chega próximo da temperatura ambiente.
Como foi dito, as curvas mostradas no diagrama representam as transformações que Como foi dito, as curvas mostradas no diagrama representam as transformações que ocorrem ao longo do tempo e, como estas transformações são governadas pela maneira ocorrem ao longo do tempo e, como estas transformações são governadas pela maneira como ocorre a transformação, os produtos formados dependem da temperatura em que se como ocorre a transformação, os produtos formados dependem da temperatura em que se
permite
permite a a transformação transformação do do aço. aço. Assim Assim temos temos que, que, desde desde a a temperatura temperatura eutetóide eutetóide atéaté próximo
próximo da da temperatura temperatura intermediária, intermediária, isto isto é é próximo próximo do do joelho, joelho, temos temos a a formação formação dede perlita
perlita cujo cujo espaçamento espaçamento interlamelar interlamelar vai vai decrescendo decrescendo à à medida medida em em que que se se decresce decresce aa temperatura de transformação. Para as temperaturas abaixo do joelho até a linha de temperatura de transformação. Para as temperaturas abaixo do joelho até a linha de formação da martensita temos a formação de bainita que vai desde uma bainita superior até formação da martensita temos a formação de bainita que vai desde uma bainita superior até uma bainita inferior.
uma bainita inferior.
Figura 7.2 -
Figura 7.2 - Diagrama completo de transformação isotérmica para um aço Diagrama completo de transformação isotérmica para um aço eutetóideeutetóide(11)(11).. Vamos agora estudar em mais detalhes o que ocorre quando resfriamos um aço Vamos agora estudar em mais detalhes o que ocorre quando resfriamos um aço eutetóide rapidamente
eutetóide rapidamente até alguma até alguma destas tempedestas temperaturas e o deraturas e o deixamos por aixamos por algum tempo algum tempo a esta temperatura. Para isto faremos uso da figura 7.3 que representa um diagrama esta temperatura. Para isto faremos uso da figura 7.3 que representa um diagrama isotérmico de um aço eutetóide, sobre a qual estão traçadas algumas curvas de isotérmico de um aço eutetóide, sobre a qual estão traçadas algumas curvas de temperatura-tempo. Deve ser lembrado que sempre que quisermos estudar as temperatura-tempo. Deve ser lembrado que sempre que quisermos estudar as transformações que ocorrem nos aços
transformações que ocorrem nos aços deve-se pressupor que este tenha sido austenitizado edeve-se pressupor que este tenha sido austenitizado e que a partir desta condição será feito um resfriamento rápido até a temperatura em que se que a partir desta condição será feito um resfriamento rápido até a temperatura em que se pretende estudar a trans
pretende estudar a transformação.formação.
Curva 1
Curva 1 - Resfriamos rapidamente o aço desde a temperatura austenítica até a- Resfriamos rapidamente o aço desde a temperatura austenítica até a
temperatura de 160
transformação do aço até que se atinja a temperatura de início de transformação da