Download - Transformacao de Fases Nos Metais
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Universidade Federal do Paran
Setor de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecnica
Prof. Rodrigo Perito Cardoso
TM343 Materiais de Engenharia
Captulo 10 Transformao de fases nos metais: Desenvolvimento da
microestrutura e alterao de propriedades
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Onde estamos?
Introduo Reviso dos conceitos de mecanismos de endurecimento e
diagramas de fase Alumnio e suas ligas
Classificao das ligas de Al Tratamentos trmicos das ligas de Alumnio Metalurgia das ligas de Alumnio
Ligas ferrosas Aos e ferros fundidos Diagramas TTT e TRC Tratamentos trmicos dos metais ferrosos Metalurgia dos metais ferrosos Tratamentos termoqumicos
Noes de Outras ligas (Mg, Ti, Co, Ni, etc)
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Roteiro da aula
Intruduo
Cintica de transformao de fase
Nucleao e crescimento (liquido e slido)
Estados Metaestveis X Estados de equilbrio
Transformaes e Microestrutura (Fe-C)
Diagramas de transformaes Isotrmicas
Diagramas de Transformao por resfriamento contnuo
Comportamento mecnico de ligas Fe-C
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Introduo
Qual esta microestrutura?
Qual a composio provvel?
O que esperamos das propriedades
desta liga?
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Introduo
Porque estudar transformaes de fases?
Propriedade
Estrutura Processamento
Macroscpica (1X)
Microscpica (1.000X)
Atmica (1.000.000X)
Para um material ser til
necessrio fabricar
algo com ele
Imposto pelo projeto
?
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Introduo
Porque estudar transformaes de fases?
Diagrama de fase no considera o tempo
Entretanto os diagramas so importantes para projetar tratamentos trmicos
Obter as propriedades desejadas
Alterar propriedades de uma liga
Ex: Fe+0,76% C eutetide
Limite de resistncia pode varias de 700 a 2000 Mpa
COMO?
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Exemplo de variao de propiedades
Diferente tratamento
trmico (recozido
pleno x normalizado)
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Introduo
Versatilidade dos materiais metlicos
Mecanismos de endurecimento (TG, SS, Enc.)
Transformao de fase -> altera microestrutura
Transformao de fase -> no ocorre instantneamente
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Conceitos bsicos
Tipos de transformao:
Dependente da difuso
Simples (transf. alotrpica)
Outro tipo (ex: eutetide alterao do nmero de fases)
Independente da difuso
Produz fases metaestveis (ex: transf. Martenstica - Tmpera)
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Cintica de transformao de fases
Leva tempo(no instantnea) -> cintica (velocidade)
Estgios da transformao de fases:
Nucleao -> surgimento da nova fase
Crescimento -> Leva ao desparecimento da fase original
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Nucleao (vdeo 1 vdeo 2 vdeo 3)
Energia livre de Gibbs (G)
Transformao espontnea se DG for negativo (reduo da energia livre do sistema)
Iniciaremos pela transformao lquido-Slido (solidificao) considerando ncleos esfricos, conforme o esquema:
Do not boil water into microwave oven!.flvSupercooled Water 2.flvSuperheating of water (Mythbusters).mp4
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Nucleao
Contribuies para variao da energia livre:
Diferena de energia das fase, energia de volume, DGv (negativa se T inferior temp. de transf.)
Energia de superfcie, formao de interface, g (positiva)
Variao total:
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Nucleao Raio crtico
Partcula menor dissolve (r embrio
Partcula maior cresce (r>r*) -> ncleo
DG* -> energia livre de ativao para formao do ncleo
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Nucleao Como DG* e r* so ponto de mximo, derivando
e igualando a zero obtemos substituindo r* obtemos
A transformao s ocorre a baixo de Tf (Tm), pois
logo:
DG* e r* diminuem se T diminui
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Nucleao
Super-resfriamento (Superaquecimento Tf-T)
T2
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Nucleao
Nmero de ncleos estveis
Fortemente dependente de T, pois
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Nucleao
Aglomerao de tomos (difuso) Forma parecida com o coeficiente de
difuso D
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Nucleao
Taxa de nucleao proporcional a n* e nd
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Ex. de super-resfriamento para nucleao homognea
Ex: Nucleao Homo. Au
r*=1,32 nm (548 tomos)
importante ressaltar que
os princpios apresentado
se aplicam para qualquer
transformao de fase.
Nos interessaremos
particularmente s
transformaes de fase
slido-slido
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Nucleao Heterognea
Na prtica o super-resfriamento bem menor que o observado para nucleao homognea
Nucleao heterognea -> menor energia de superfcie
Pode-se mostrar que:
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Nucleao Heterognea
Mesmo raio crtico
Menor energia de ativao
Menor super-resfriamento
Em geral maior taxa de nucleao
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Crescimento
Crescimento -> aps o raio crtico
Crescimento e Nucleao ocorrem simultaneamente
Crescimento envolve:
Difuso at a fronteira (logo alcance)
Difuso para o ncleo
Taxa de crescimento tem cara de difuso:
Eq. de Arrhenius
Vlido para qualquer transformao de fase
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Crescimento
Taxa de transformao -> quanto da fase foi transformada
Conseqncia na micro estrutura e
conseqentemente nas propriedades
Estrutura grosseira (baixa taxa de nucleao e
elevada taxa de crescimento)
Tendncia formao de estruturas metaestveis
(ex: martensita e vidros metlicos)
Estrutura refinada (elevada taxa de nucleao e
baixa taxa de crescimento)
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Crescimento
Taxa de transformao o inverso do tempo de transformao -> tempo para que a transformao evolua at certo ponto (ex: 50%)
Taxa de transformao Tempo de transformao
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Consideraes cintica em relao s transformaes no estado slido Curava da cintica de transformao (Curvas em S)
-> evoluo temporal da transformao a T=cte
Relembrando: taxa de
transformao o inverso de do
tempo de transformao (por
conveno 50% de transformao)
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Consideraes cintica em relao s transformaes no estado slido Influencia de T na cintica (ex: recristalizao
do Cu)
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Estados Metaestveis X Estados de Equilbrio
Tratamento trmico -> usado para induzir transformao de fase (aquecimento ou resfriamento)
Transformao ocorre no sentido do previsto pelo diagrama de fases (fases e quantidades relativas) -> leva tempo
Diagrama de fase incapaz de indicar o tempo para que o equilbrio seja atingido
A taxa de transformao para o equilbrio muito lenta -> raramente as transformaes ocorrem em verdadeiro equilbrio
Em tratamento trmico -> Equilbrio= taxa muito lenta de aquecimento e/ou resfriamento -> invivel na prtica industrial
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Estados Metaestveis X Estados de Equilbrio
Para transformaes fora do equilbrio: No resfriamento, as temperaturas de transformao so deslocadas
para T inferior (super-resfriamento)
No aquecimento, as temperaturas de transformao so deslocadas para T superior (superaquecimento)
Quanto maior a taxa de aquecimento/resfriamento maior ser o superaquecimento/super-resfriamento (para ao eutetide, em resfriamento, normalmente temos super-resfriamento entre 10 e 20C)
Para muitas aplicaes a microestrutura preferida metaestvel (intermedirio entre o estado inicial e o equilbrio), o controle e obteno de fases metaestveis depende da cintica de transformao.
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Alteraes microestruturais e das propriedades em ligas Fe-C
Diagrama de Transformao Isotrmica (aplicado ao sistema Fe-C)
Formao da Perlita:
Reao eutetide Fe-C
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Alteraes microestruturais e das propriedades em ligas Fe-C
Formao da Perlita (influencia da temperatura na taxa de transformao)
Ex de um ao eutetide:
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Alteraes microestruturais e das propriedades em ligas Fe-C
Maneira mais conveniente de apresentar a transformao isoterma
Curvas de incio e fim de
transformao (slidas)
Curva 50% de transformao
(tracejada)
Digrama de transformao
isotrmica (Diagrama TTT
transformao-tempo-temperatura):
Gerado a partir de uma srie de
curavas em forma de S
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Alteraes microestruturais e das propriedades em ligas Fe-C
Austenita para qualquer tempo
Temperatura do eutetide
Transformao s ocorre
com super-resfriamento
Au
ste
nita
In
st
ve
l
perlita
Austenita Instvel + Perlia 10 s para transformao
100.000 s
para transformao (27h)
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Alteraes microestruturais e das propriedades em ligas Fe-C
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Exemplo de um tratamento trmico isotrmico
Resfriamento
rpido da
austenita
(3s) Inicio da
transformao (15s) Final da
transformao
Evoluo da
microestrutura
Elevado tempo de
transformao ->
perlita grosseira
baixo tempo de
transformao ->
perlita fina
E a relao das
espessuras,
muda? Porque?
Difuso explica
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Resultado de tratamento
Perlita grosseira Perlita fina
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Vimos o ao eutetide, e para um ao Hiper ou Hipoeutetide?
Linhas de transformaes das fases proeutetide, ex (Fe-1,13% C - Hiper):
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Bainita Alm de perlita outros microconstinuintes podem
existir (lembrar que no so fases)
Falaremos agora da bainita: forma-se como agulhas ou placas (temperatura) e extremamente refinada (vista com microscpio eletrnico)
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Bainita Se forma temperaturas a baixo da
temperatura de formao de perlita fina
Curvas em forma de C
Maior taxa de
transformao
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Cementita Globulizada (esferoidita)
Obtida de Perlita ou Bainita aquecida e mantida abaixo da temperatura do eutetide (reduo de energia de contorno de fase) ex: 700C 18 a 24h
Qual a microestrutura mais estvel, a
perltica ou a da cementita globulizada? Por
qu?
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Martensita Obtida da tmpera -> resfriamento rpido at temperatura
prxima da ambiente
Transformao no difusional da austenita-> fora do equilbrio (no representada no diagrama de equilbrio), fase metaestvel (movimento cooperativo de tomos)
Estrutura tetragonal de corpo centrado
Soluo slida supersaturada de Fe-C
Se transforma se a temperatura for elevada
(difuso), estvel a temperatura ambiente
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Martensita
Transformao quase instantnea (sem difuso), com elevada taxa de transformao (velocidade do som) -> para fins prticos independente do tempo
Assume forma de agulhas ou placas
Fundo branco -> austenita retida
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Martensita Matensita aparece no diagrama TTT (completando o
diagrama)
Linhas de transformao
horizontais (independentes do
tempo) -> posio depende da
composio da liga, mas
sempre a temperaturas onde a
difuso virtualmente
inexistente.
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TTT elementos de liga
Alteram a posio e forma das linhas de transformao:
Deslocamento da inflexo para tempos mais longos
Formao de uma inflexo para a bainita
Ao carbono x ao liga
4340:
(0,40C-1,8Ni-0,8Cr-0,25Mo-0,7 Mn)
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Cr + Mo
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46
A + B
A + P
A + a A
B P
A 50%
0
200
400
600
800
0.1 10 103 105 time (s)
M (start)
M (50%)
M (90%)
Problema exemplo Co = 0.45 wt% a) 42% ferrita proeutetide e 58% perlita grossa
Adapted from
Fig. 10.29,
Callister 5e.
T (C)
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47
b) 50% pearlita fina e 50% bainita
T (C)
A + B
A + P
A + a A
B P
A 50%
0
200
400
600
800
0.1 10 103 105 time (s)
M (start)
M (50%)
M (90%)
Adapted from
Fig. 10.29,
Callister 5e.
Problema exemplo Co = 0.45 wt%
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48
A + B
A + P
A + a A
B P
A 50%
0
200
400
600
800
0.1 10 103 105 time (s)
M (start)
M (50%)
M (90%)
c) 100 % martensita quench = rapid cool
d) 50 % martensita
e 50 % austenita
d)
c) Adapted from Fig. 10.29,
Callister 5e.
T (C)
Problema exemplo Co = 0.45 wt%
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Problema exemplo Determinao de microestrutura para tratamentos isotrmicos:
Descreva o tratamento e a
microestrutura obtida dos tratamentos
(a), (b) e (c)
Propor um tratamento que produza:
1) 100% perlita grosseira
2) 100% perlita fina
3) 50% perlita fina + 50% Bainita
4) 50% perlita fina + 50% martensita
5) 50% bainita + 50% martensita
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Diagramas de transformao por resfriamento contnuo
Os tratamento isotrmicos no so fceis de serem realizados (resfriamento rpido para temperatura elevada)
Na pratica a maioria dos tratamento trmicos realizado em resfriamento contnuo at a temperatura ambiente.
Assim rigorosamente no podemos aplicar os diagramas TTT para tratamentos trmicos
Em resfriamento contnuo as curvas de transformao so deslocadas para maiores tempos e menores temperaturas. (as curvas modificadas so chamadas curvas de transformao por resfriamento contnuo TRC -> Encontrados por exemplo no ASM Hand Book
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Diagramas de transformao por resfriamento contnuo
Curvas de resfriamento contnuo (ex: eutetide)
Linhas de
transformao
martenstica no
mudam
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Diagramas de transformao por resfriamento contnuo
Controle da taxa de resfriamento - > meio (ar, leo, gua salmoura)
Incio de transformao
Fim de transformao
Microestrutura resultante:
Perlita grossa
Perlita fina
Em ao-carbono -> impossvel
formar estrutura baintica em
resfriamento contnuo
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Diagramas de transformao por resfriamento contnuo
Existe uma taxa mnima de tempera para obteno de uma estrutura 100% martenstica
100% perlita
Perlita + Martensita
100% Martensita
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Diagramas de transformao por resfriamento contnuo
Elementos de liga, incluindo o carbono, deslocas as curvas reduzindo a taxa crtica de resfriamento (elementos comuns: Cr, Ni, Mn, Si, W -> desde que em sol. solida na austenita)
Ligas com menos de
0,25% C normalmente
no so temperadas
(taxas muito elevadas)
Adicionar elemento de
liga permite obter 100%
martensita em peas de
grande seo
Possibilidade de
formao de bainita em
resfriamento contnuo
Exemplos de de
taxa de
resfriamento
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Exerccio Descreva o tratamento trmico por resfriamento contnuo
que poderia ser utilizado para converter um ao 4340 de (martensita+perlita) para (ferrita + perlita)
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Comportamento mecnico de ligas Fe-C
Conhecendo as microestruturas
Perlita fina
Perlita grosseira
Cementita globulizada
Bainita
Martensita
-> vamos discutir as propriedades mecnicas
Com exceo da martensita todas as outras microestrutras so formadas pelas fase: ferrita e cementita
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Comportamento mecnico de ligas Fe-C
Perlita: A cementita muito dura e frgil se compara ferrita, Mantendo os
demais parmetros-> + cementita + duro + resistente
Para perlita fina:
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Comportamento mecnico de ligas Fe-C
Influncia da forma em que se encontra a cementita
Perlita fina (mais
contorno)
Perlita grossa
(intermedirio)
Cementita
globulizada (menos
contorno) -> fase
dctil + contnua
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Comportamento mecnico de ligas Fe-C
Cementita globulizada (esferoidita):
Forma e distribuio bem diferente
Esfera tem a menor relao rea/volume
Tenaz -> trinca encontra pouca cementita
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Comportamento mecnico de ligas Fe-C
Bainita: Estrutura mais fina que a perlita -> +dura e + resistente (ex: eutetide)
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Comportamento mecnico de ligas Fe-C
Matensita: a mais dura, mais resistente e mais frgil das estruturas (ductilidade desprezvel)
Dureza depende do
% C at ~0.6%
Dureza relacionada: Sol. Solida
N. de Sist de Esc.
Pouco dependente da
microestrutura
Austenita + densa que a martensita ->
transformao com aumento de volume ->
pode trincar (tenses internas) especialmente
se a pea for grande com elevada taxa de
resfriamento e teor de carbono maior que 0,5
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Exerccio
Classifique as seguintes ligas ferro-carbono e as microestruturas a elas associadas em ordem decrescente do limite de resistncia trao:
0,25% C com cementita globulizasa
0,25% C com perlita grosseira
0,6% C com perlita fina
0,6% C com perlita grosseira
Justifique sua resposta
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Exerccio
Para um ao eutetide, descreva o tratamento trmico para obter uma dureza de 93 HRB
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Martensita Revenida
No estado temperado a martensita muito dura e frgil e no pode ser empregada na maioria dos casos
Ductilidade, tenacidade e reduo das tenses internas so obtidas pelo revenido -> aquecimento da pea a temperatura abaixo do eutetide (normalmente entre 250 e 650C)
Para alivio de tenses 200C suficiente
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Martensita Revenida
No revenimento, por difuso:
Microestrutura da martensita revenida:
cementita finamente e homogeneamente dispersa + uma matriz contnua de ferrita
semelhante cementita globulizada, entretanto muito mais fina
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Martensita Revenida
Microestrutura da martensita revenida:
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Martensita Revenida Martensita revenita pode ser quase to dura quanto
a martensita, entretanto com certa ductilidade
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Martensita Revenida O tamanho das partculas de cementita na
martensita revida influencia suas propriedades
Maior partcula menor
rea de contorno
Tamanho de partcula
determinado pela
temperatura e tempo de
revenimento
Informao normalmente
fornecida pelo fabricante
do ao
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Martensita Revenida
Influncia do tempo do revenido para um ao eutetide
t em escala logartmica
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Fragilizao por revenido
Alguns aos aps revenido podem apresentar reduo de tencidade -> Fragilizao por revenido
Revenido acima de 575C seguido de resfriamento lento
Revenido entre 375 e 575C
Motivo elemento de liga (Cr, Ni, Mn) + Impureza (antimnio, estanho, arsnio, fsforo) -> desloca a temperatura de transio dctil frgil + segregao em contorno de gro
Como prevenir: Controle de pureza
Revenido abaixo de 375C
Revenido acima de 575C seguido de tempera
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Transformaes possveis
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Comportamento mecnico de ligas Fe-C
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Ligas com memria de forma
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Deformao por maclagem
Aplicaes variadas:
Luvas para tubulao sem solda
Armao de culos
Aparelhos dentrios
Dispositivos para abrir janelas de
estufas
Vlvulas de incndio, etc
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importante lembrar
Conceitos bsicos de transformao de fase
Nucleao x Crescimento
Super-resfriamento (Superaquecimento)
Microestruturas no sistema Fe-C
Perlita
Bainita
Cementita globulizada (esferoidita)
Martensita
Martensita revenida
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importante lembrar Diagramas TTT
Origem
Como aplicar
Diagramas TRC
Diferena com relao ao TTT
Como aplicar
Como propor um tratamento trmico para obter uma da microestrutura (propriedade)
Relao microestrutura propriedade
saber qualitativamente quem mais resistente , mais dctil, mais tenaz, etc.