Processos de Fabricação I Aula 3 Diagrama de Transformações 2o semestre 2013

Perlita grosseira Perlita fina Martensita Ferrita Cementita

Processos de Fabricação I

Aula 3 : Diagramas de transformações Isotérmicas

e TRC

Cinética de reações - Estado sólido

Apesar dos diagramas de fase não incluírem o fator tempo, as

transformações de fase são dependentes do mesmo. Ou seja o

tempo necessário para nuclear e crescer um novo arranjo no

interior do material

A dependência em relação ao

tempo da taxa de transformação é

conhecida

por

cinética

de

transformação

A formação de uma nova fase ou de um novo arranjo ordenado

de átomos ocorre por nucleação e crescimento

Cinética de reações - Estado sólido

Formação da perlita através do resfriamento da austenita

A transformação de uma fase em outra depende da difusão

atômica e do tempo

Cinética de reações - Estado sólido

O processo de transformação é geralmente verificado com um exame

ao microscópio ou da medição de alguma propriedade física e

plotados seguinte gráfico

onde, K e n são constantes independentes do tempo

Equação de Avrami y = 1 – exp(-kt

₎

Cinética de reações - Estado sólido

A temperatura é uma das variáveis do processo de tratamento

térmico sujeita a controle, e a mesma pode ter uma profunda

influência sobre a cinética de transformação

Tempo (min)

Curvas em forma de S para y em função do log t para a recristalização do cobre

Por cen tag em d e rec ris taliz aç ão

Cinética de reações - Estado sólido

Para a maioria das transformações de fase isotérmicas, a taxa

de reação r, varia exponencialmente com a temperatura

R - constante universal dos gases

T - temperatura absoluta

A - constante independe da temperatura

Q - energia de ativação da reação

Transformações multifásicas

As estruturas são mantidas em condições de equilíbrio somente

quando o resfriamento ou aquecimento é extremamente lento

–

tornando-se inviável

Aplica-se normalmente o resfriamento e aquecimento fora do

equilíbrio, no qual as transformações são deslocadas em

relação ao diagrama de fases, e são conhecidos por:

• Super-resfriamento

• Sobreaquecimento

Diagramas de transformações isotérmicas

Perlita

Considere a reação eutetóide abaixo, para o sistema Fe-Fe

C

γ(0,76%p C) α(0,022%p C) + β(6,7%p C) resfriamento _aquecimento

Com o resfriamento a austenita se transforma em ferrita e

cementita (perlita)

Nucleação e

crescimento de perlita

nos contornos de

Diagramas de transformações isotérmicas

Perlita

Curvas em S com a porcentagem de transformação em função

do tempo

Diagramas de transformações isotérmicas

Perlita

O diagrama de transformação

Isotérmica relaciona o tempo e

a temperatura

Válido somente para aço

eutetóide

t◦C

Diagramas de transformações isotérmicas

Perlita

(ou gráfico de transformação tempo temperatura - TTT)

Taxa de transformação controlada pela taxa de nucleação da perlita

Processo de transformação do ferro γ em perlita

Quanto menor o tempo maior a taxa de resfriamento

Fora do equilíbrio

Diagramas de transformações isotérmicas

Perlita

abaixo do eutetóide é necessário tempos da ordem de 105 _s 3 540 Preciso para transformações com temperaturas constantes ao longo da reação Fora do equilíbrio

Diagramas de transformações isotérmicas

Perlita

Micrografias eletrônicas

Perlita fina

Diagramas de transformações isotérmicas

Perlita

Curva real tratamento térmico isotérmico - ABCD Resfriamento muito rápido - AB Tratamento isotérmico - BCD Fora do equilíbrio 3,5 15 Início Fim

Logo abaixo da temperatura

eutetóide tem-se a perlita grosseira Com a diminuição da temperatura a difusão do C diminui e obtém-se a perlita fina

Diagramas de transformações isotérmicas

É obtida continuando com o resfriamento isotérmico

Como ocorre com a perlita, a

microestrutura da bainita consiste de ferrita e cementita

540

Entre 300 – 540◦ - bainita superior

Ripas finas e estreitas ou agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita

De 200 - 300◦ - bainita inferior

Placas finas de ferrita e partículas estreitas de cementita

Bainita

Diagramas de transformações isotérmicas

Bainita

Micrografias eletrônicas

Bainita superior Bainita inferior

Diagramas de transformações isotérmicas

Cementita globulizada

Um aço perlítico ou bainítico aquecido abaixo de temperatura

eutetóide entre 18 e 24h se transformará em Cementita

globulizada

No lugar das lamelas alternadas de ferrita e cementita, o

carbeto de ferro aparece de forma esférica

1000x 700◦C

Diagramas de transformações isotérmicas

Martensita

É obtida com o resfriamento rápido (têmpera), esta estrutura

não se encontra em equilíbrio

O rápido resfriamento evita a difusão do carbono, e caso tenha

alguma difusão resultará nas formação de fases ferrita e

cementita

A austenita CFC se transforma na martensita

TCC (tetragonal de corpo centrado)

Não é uma transformação exclusiva

do sistema ferro-carbono

Diagramas de transformações isotérmicas

Martensita

A taxa de transformação da martensita é independente do

tempo

Martensita

em ripas (ou maciça)

Martensita

Lenticular (ou placas)

Diagramas de transformações isotérmicas

Martensita

Como a taxa de transformação da martensita é independente do tempo, a sua transformação não aparece no

diagrama de fases Fe-Fe₃C

As temperaturas nos quais as linhas estão localizadas variam conforme a composição da liga, e devem ser baixas para evitar a difusão do C

M(0%) M(50%) M(90%) Estável In st áv el Perlita Bainita 540◦C Transformação atérmica Aço ao carbono 727

Diagramas de transformações isotérmicas

Martensita

Os elementos de liga (ex.: Cr, Ni, Mo e W) podem criar 2 joelhos no diagrama de transformação isotérmica

Esses deslocamentos aumentam o tempo da transformação da perlita e da bainita

Aços comum carbono -> principal elemento de liga C

Aços liga -> contém concentrações apreciáveis de elementos de liga (Cr, Ni, Mo e W Fase perlítica Fase bainítica Estável Instável Aço liga 727

Diagramas de transformações - resfriamento contínuo

Os tratamento isotérmicos não são práticos pois é necessário o resfriamento rápido e a manutenção da temperatura acima da eutetóide

A maioria dos tratamentos térmicos ocorre de maneira contínua até a temperatura ambiente

O diagrama de temperatura isotérmico só é válido para condições de temperaturas constantes

Para condições onde a temperatura se altera constantemente aplica-se os diagramas de resfriamento contínuo - TRC

Aço ao carbono eutetóide 727

Diagramas de transformações - resfriamento contínuo

Diagramas de resfriamento contínuo - TRC, para esta situação o tempo da reação inicial e final são retardados

Para a microestrutura martensita, pode-se aplicar tanto o diagrama de transformação isotérmico ou o TRC

Aço ao carbono eutetóide

As curvas isotérmicas são deslocadas para tempos mais longos e temperaturas menores

Temos duas curvas sobrepostas uma com taxa de resfriamento moderadamente rápida e outra lenta

Início da transformação após o período de tempo correspondente a intersecção da curva de resfriamento com a curva de reação e término da mesma maneira com as suas respectivas curvas

Diagramas de transformações - resfriamento contínuo

Aço ao carbono eutetóide

Início

Término 727

Taxa de têmpera crítica -> taxa de temperatura

mínima para produzir uma estrutura

totalmente martensítica

Diagramas de transformações - resfriamento contínuo

Aço ao carbono eutetóide 727

Desloca o joelho de início da perlita Para taxas maiores que a crítica temos apenas martensita

Para baixas taxas de resfriamento teremos 100% perlita

O carbono e outros elementos de liga também deslocam o joelho da perlita e da bainita para tempos mais longos, reduzindo a taxa de resfriamento crítica

Ou seja a razão da inclusão de elementos de liga tem como objetivo facilitar a formação da martensita e seções retas espessas

Diagramas de transformações - resfriamento contínuo

Aço liga - ABNT 4340 727

início da perlita deslocado Bainita

A taxa de resfriamento crítica é diminuída pela presença do

carbono, e ligas de Fe-Fe

C com 0,25%p C não são utilizadas

para a obtenção da martensita devido a necessidade de taxas

de têmpera muito rápidas para serem aplicadas na prática

Basicamente os diagramas de transformação isotérmicos e TRC

são de certa forma diagramas de fase com a introdução do

tempo

E os mesmos permitem prever a microestrutura após um dado

intervalo de tempo

Perlita

É o microconstituinte formado pela cementita (dura e frágil) e a ferrita (mole e dúctil)

Melhora das seguintes características mecânicas

Aumentando-se a fração da Fe3C, teremos um aço mais duro e resistente

Comportamento mecânico - ligas Fe-Fe

C

0,76 Lrt

Le Dureza

Perlita

Com o aumento da dureza e da resistência mecânica temos uma redução na ductilidade e da tenacidade

Ductilidade reduzida com o aumento da %p C

Impacto

Δl

Comportamento mecânico - ligas Fe-Fe

C

Perlita

Perlita fina

mais resistente e dura e menos dúctil

Perlita grosseira Maior ducilidade

A perlita fina é mais resistente devido a maior área de contornos de fase por unidade de volume de material

Aços esferoidizados extremamente dúcteis

Bainita

Os aços bainíticos são mais resistentes e duros que os

perlíticos, e possuem uma boa ductibilidade

Comportamento mecânico - ligas Fe-Fe

C

Eles apresentam uma estrutura mais fina que a perlita

Martensita

É a microestrutura mais dura e resistente das ligas de aço (frágil)

Solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão)

Forma de agulhas e possui a estrutura TCC

Peças grandes podem trincar devido as tensões Internas

Suas propriedades são devido a capacidade dos átomos de carbono intersticiais restringirem os movimentos das discordâncias

Comportamento mecânico - ligas Fe-Fe

C

Martensita revenida

A martensita é externamente dura e não pode ser utilizada na maiorias das aplicações

O tratamento de revenimento reduz as tensões internas e aprimoram a ductilidade e a tenacidade, com o aquecimento do aço martensítico abaixo da temperatura eutetóide durante um dado tempo Normalmente de 200-600◦C

A martensita revinida é obtida pela difusão

Comportamento mecânico - ligas Fe-Fe

C

Martensita TCC, monofásica

Martensita revenida

(fase α + Fe₃C)

Martensita Revenida

Fases α + Fe

C (cementita)

AUSTENITA

Ferro γ (configuração CFC)

Perlita

(α + Fe

C) + uma

fase próeutetóide

Bainita

(fases α + Fe

C)

Martensita

Possíveis transformações envolvendo a decomposição da austenita

Bibliografia utilizada:

CALISTER, W. D. Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais. 2ª edição. LTC, 2006. ISBN: 978-85-2161-515-6.

COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4ª ed São Paulo: Edgard Blücher, 2008.

CHIAVERINI, Vicente. Aços e ferros fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos. 7 ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Metais, 1998.