Aula 10 - transf martensitica

Metalurgia Física

Transformação Martensítica

Prof. Sydney F. Santos

Transformação martensítica: conceitos

fundamentais

 _{É uma transformação não-difusional.}

 _{A movimentação atômica ocorre de forma}

coordenada e cooperativa  “transformação militar”.

 _{O movimento dos átomos envolve pequenas}

distâncias (menores que o parâmetro de rede).

 _{A fase matriz e a martensita possuem relações de}

orientação cristalográficas entre si.

 _{A transformação envolve mudanças de forma e}

volume.

 _{Esta transformação causa um aumento substancial}

da densidade de defeitos cristalinos, especialmente de discordâncias.

 _{Produz microestruturas com alta resistência}

Transformação martensítica

 Originalmente observada no resfriamento

rápido de aços a partir do campo austenítico, mas ocorre em diversas outras ligas e mesmo materiais cerâmicos.

 Nem sempre a transformação martensítica é do tipo CFC  BCT, como no caso dos aços!!

 Hoje em dia, o termo “martensita” não é somente utilizado para designar uma fase

metastável de aços mas para designar todas as fases, em diversas famílias de ligas, que se

formam pela reação em estado sólido denominada transformação martensítica.

Transformação martensítica em aços

muito baixas (até próximo de 0K), onde a difusão não ocorre  reação atérmica.

 _{A temperatura abaixo da qual a reação pode ocorrer é}

denominada MS, ou “martensite start”.

 _{Esta temperatura é sensível a composição química do}

aço e existem expressões empíricas para o cálculo de MS, como o exemplo abaixo:

 MS(oC) = 539 – 423.(%C) – 30,4.(%Mn) -17,7.(%Ni) –

12,1.(%Cr) – 7,5.(%Mo)

 _{Apesar dã transformação martensítica ser não difusional,}

Transformação martensítica em aços

elevada (próxima da velocidade do som no aço), cerca de 1100 m/s, a fração transformada da martensita (f_M) pode ser expressa apenas em relação a temperatura de

transformação (T). Para os aços, é dada a expressão:

 f_M = 1 – exp(-α(M_S – T))

Onde α é aproximadamente igual a 0,011.

 A temperatura abaixo da qual a austenita está 100%

transformada em martensita é denominada M_f (martensita final).

Transformação martensítica em aços

tempo.

 Ex: Para um aço carbono com cerca de 0,8% de C, as

temperaturas MS e MF são aproximadamente 230oC e -60oC,

respectivamente.

 A taxa de resfriamento é uma variável muito importante na transformação martensítica, pois um resfriamento rápido evita que outras transformações ocorram por processos difusionais.

 Ex: Aços altamente ligados, como os maraging, podem produzir martensita com velocidades de resfriamento relativamente lentas.

 Temperabilidade  Sensibilidade da reação martensítica à taxa de resfriamento.

Transformação martensítica em aços



_{A martensita no sistema ferro-carbono é}

tetragonal de corpo centrado (TCC) e a razão

entre o parâmetro de rede maior (c) e o

parâmetro de rede menor (a) depende do teor

de carbono, sendo dado pela expressão:



_{c/a = 1 + 0,045.(% em peso de C)}



_{A estrutura TCC pode, em certas situações,}

ser entendida como uma estrutura CCC

alongada no eixo C.

Transformação martensítica em aços



_Morfologia

_{A morfologia mais comum é a de placas finas.} _{Nos aços, para teores baixos de carbono, a}

martensita assume a forma de ripas.

_{A martensita em forma de placa difere da}

martensita em forma de ripa quanto a subestrutura de deformação.

A martensita em forma de placas possui subestrutura de maclas finas paralelas.

A martensita em forma de ripas possui subestrutura caracterizada por alta densidade de discordâncias.

Transformação martensítica em aços

Transformação martensítica em aços

Transformação martensítica em aços

Transformação martensítica em aços

Transformação martensítica em aços

cristalografia.

 As duas características cristalográficas mais importantes da martensita são:

O plano de hábito.

_{A relação de orientação cristalina entre as fases.}

 Plano de hábito  interface entre a martensita e a austenita que permanece invariante, não sofrendo deformação nem rotação durante a transformação.

 O plano de hábito (interface) é coerente ou semicoerente e possui uma orientação cristalográfica bem definida para todas as placas de martensita.

Qual a diferença entre um plano de hábito coerente e um

Transformação martensítica em aços

 Representação esquemática da formação da

martensita

_{Observa-se o plano invariante entre α’ e γ.}

Na superfície, observa-se a formação de um relevo.

_{Quando a transformação ocorre constrita pela matriz,}

Transformação martensítica em aços



_{Martensita livre e constrangida}

Transformação martensítica em aços



_{Martensita de baixo carbono (abaixo de}

0,5% C)

Plano de hábito próximo de {111}γ

Relação de orientação de Kurdjumov-Sachs

Transformação martensítica em aços

Transformação martensítica em aços



_{Martensita de médio carbono (entre 0,5 e}

1,0% C)

Plano de hábito próximo de {225}γ

Relação de orientação de Kurdjumov-Sachs

Transformação martensítica em aços



_{Martensita de alto carbono (> 1,4% C).}

Plano de hábito próximo de {229}γ

Relação de Nishiyama – Wasserman

Nucleação da martensita

 A força motriz para a nucleação da martensita é (T-MS).

 A tentativa de explicação da nucleação da martensita em termos da teoria clássica de

nucleação não fornece resultados consistentes.

 Acredita-se que a nucleação ocorra em sítios pré-existentes da matriz.

 Não há consenso sobre o mecanismo exato de nucleação da martensita.

Analogia com a maclação mecânica

 Compreensão da formação da martensita  analogia com a maclação mecânica.

 A região maclada é uma região que sofreu cisalhamento puro em relação a região não maclada.

 _{A passagem de uma discordância teria efeito}

semelhante de deslocar a região superior em relação a região inferior do cristal. Porém, o cisalhamento se restringiria ao plano da

discordância. No caso da macla, todo o volume sofre cisalhamento.

Analogia com a maclação mecânica

 A interface entre a macla e o cristal não maclado permanecem invariantes, sem sofrer rotação ou distorção.

 Este plano seria o plano de hábito.

 Para um determinado plano de hábito, a

orientação entre a região maclada e não maclada está determinada.

 Na macla mecânica, todos os átomos do volume maclado são deslocados de suas posições

originais de uma distância inferior a um parâmetro de rede, caracterizando uma deformação

homogênea  há uma mudança de forma da região cisalhada.

Analogia com a maclação mecânica

 A transformação martensítica é análoga a

maclação mecânica, mas com uma diferença importante:

Na maclação mecânica a rede permanece invariante  a estrutura cristalina não muda embora a orientação relativa mude.

Na transformação martensítica ocorre uma mudança de estrutura cristalina.

 Outra diferença é que a deformação, que produz a martensita, não é cisalhamento puro, pois há

uma diferença entre o volume atômico do ferro na austenita e na martensita, apesar da componente relacionada ao cisalhamento ser mais importante.

Deformação de Bain

 Edgard Bain (1924)  sugeriu que a deformação homogênea da austenita poderia converter sua estrutura de CFC em CCC ou TCC.

 A austenita é contraida 20% ao longo da direção [001]γ e expandida

cerca de 12% ao longo da direção [110]γ e [1-10] γ deformação de

Bain.

 A deformação de Bain mantém a correspondência atômica  cada átomo da austenita está associado a um átomo da martensita.

 Para haver mudança de estrutura, cada átomo só precisa se

deslocar de uma distância menor que uma distância interatômica  não há necessidade de difusão para a mudança da estrutura

cristalina.

 A deformação de Bain não prevê nenhum vetor conectando dois

átomos vizinhos  a mudança da estrutura acarreta na mudança de módulo e de direção nos vetores da fase vizinha.

Transformação martensítica em aços

Orientational relationship between the parent (fcc) and martensite (bcc) phases for the Bain (a), the Nishiyama–Wassermann (b) and the Kurdjumov–Sachs (c) paths. The blue atoms indicate a bcc unit cell. The red arrows indicate part of the motion initiating the transformation. The dashed arrows indicate the invariant direction which is shared by the parent and martensite phases.

Deformação de Bain

 _{A relação de orientação prevista pela deformação de}

Bain difere da observada experimentalmente

(Kurdjumov-Sachs, por exemplo)  a deformação de bain não é suficiente para explica a relação de

orientação observada na martensita.

 _{A deformação de Bain não deixa nenhum plano ou}

direção invariantes  contradiz a observação

experimental de existência de um plano de hábito.

 _{A deformação de Bain é equivalente}

matematicamente a deformação de uma esfera num elipsóide de revolução cujo eixo de simetria é a

Deformação de Bain

 Na deformação de Bain não há nenhum plano diametral da esfera que permaneça invariante.

 Porém, é possível encontrar na esfera um cone que, após a transformação, permanece com o mesmo comprimento de aresta (fig. 6.b).

 Combinado-se a deformação de Bain com uma rotação de corpo rígido, pode-se girar a

elipsoide de revolução em torno do eixo a2 de modo a coincidir uma linha do cone da esfera com o elipsoide de revolução  linha invariante (fig 6.c).

Deformação de Bain e rotação de um

corpo rígido

 _{Deformação de Bain (B) multiplicada pela rotação de}

um corpo rígido (R)  resulta numa nova matriz “LI”.

 _{LI = RB}  _{Sendo que:}

Onde e11 = e22  corresponde a deformação nas direções

[100]ccc e [010]ccc, respectivamente.

Deformação de Bain e rotação de um

corpo rígido

 A deformação de Bain associada com a

deformação de corpo rígido resulta numa linha invariante e numa relação de orientação

cristalográfica condizente com as observações experimentais.

 Porém, através deste modelo, não é possível se explicar porque se observa um plano invariante experimentalmente.

 Para se explicar a existência de um plano invariante é necessário considerar a

Subestrutura de deformação da

martensita

 Linha invariante  prevista no modelo de Bain com rotação de corpo rígido.

 Plano invariante  observado experimentalmente.

 Premissa matemática  uma deformação com linha invariante pode ser decomposta em duas deformações com plano invariante  supondo que a deformação P1 gere um plano invariante e que a deformação P2 gere outro plano invariante, supõe-se que os dois planos se interceptam ao longo de uma reta  esta reta comum permanecerá invariante após a combinação de P1 e P2.

 A combinação de P1 e P2 equivale matematicamente a multiplicação das matrizes P1 e P2.

Subestrutura de deformação da

martensita

 Da combinação de P1 e P2, temos

 P1.P2=RB

 Podemos reescrever esta equação como:

 P1=RB(P2)-1

 A deformação P1 é macroscopicamente “visível” enquanto

que a deformação (P2)-1 é macroscopicamente “invisível”.

 Esta transformação “invisível”pode ocorrer pode ocorrer

por maclação ou deslizamento simples gerando a subestrutura de deformação da martensita.

 Em resumo, a deformação com plano invariante e rotação

de corpo rígido observada macroscopicamente só pode ser obtida supondo-se a existência de uma subestrutura de

deformação na martensita, seja de maclas, seja de discordâncias.

Subestrutura de deformação da

martensita

Subestrutura de deformação da

martensita

 _{Subestruturas de deslizamento e de maclação em}

Bibliografia



_{P.R. Rios; A. Padilha. Transformações de}

fase. Artiliber Ed, 2007.



_{H.K.D. Bhadeshia, R. Honeycomb. Steels:}

Microstructures and Properties.