Transformações de fases
1º semestre / 2016
Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia de Materiais Disciplina: Ciência dos Materiais 1
2
Questões a abordar • Transformação de uma fase em outra demanda tempo.
• Como a taxa de transformação depende do tempo
e da temperatura? • É possível reduzir transforamações de modo que
estruturas fora de equilíbrio sejam formadas?
• As propriedades mecânicas de estruturas fora de equilíbrio
são mais desejáveis que estruturas de equilíbrio?
Fe
g (Austenita)
Transformação eutetoide
C CFC
Fe3C
(cementita)
a (ferrita)
+
(CCC)
Transformações de fases
3
Transformações de fases
Nucleação
– núcleos agem modelos nos quais os cristais crescem
– para a formação de núcleos a taxa de adição de átomos no
núcleo deve ser maior que a taxa de perda
– uma vez nucleado, crescimento prossegue até que o equilíbrio
seja atingido Força motriz para nucleação aumenta com o aumento de T
– super-resfriamento (eutética, eutetoide)
– superaquecimento (peritética)
Pequeno super-resfriamento baixa taxa de nucleação – poucos núcleos – cristais grandes
Grande super-resfriamento alta taxa de nucleação – muitos núcleos – cristais pequenos
4
Solidificação: tipos de nucleação
• Nucleação homogênea – núcleos formam no metal líquido
– necessita de considerável super-resfriamento (80-300ºC)
• Nucleação heterogênea – mais fácil por que uma “superfície de nucleação”
já está presente — ex.: parede do molde, impurezas na fase líquida
– pequenos super-resfriamento (0.1-10ºC)
r* = raio crítico: para r < r* núcleos retraem; para r >r* núcleos crescem
(para reduzir energia) Adapted from Fig.10.2(b), Callister & Rethwisch 8e.
Nucleação homogênea e energia
GT = Energia livre total
= GS + GV
Energia livre de superfície- destabiliza
os núcleos (consome energia para criar
uma interface)
g 24 rGS
g = tensão superficial
Energia livre de volume–
estabiliza os núcleos (libera energia)
GrGV3
3
4
volume de unidade
volume de livre energiaG
Nucleação homogênea – raio crítico
TH
Tr
f
m
g
2*
Nota: Hf e g são fracamente dependentes de T
r* diminui quando T aumenta
Para T típicos r* ~ 10 nm
Hf = calor latente de fusão
Tm = temperatura de fusão
g = energia livre de superfície
T = Tm - T = superresfriamento
r* = raio crítico
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Taxa de transformação de fase
Cinética - estudo das taxas de reação de
transformações de fases
• Para determinar a taxa de reação – medir
fração transformada em função do tempo
(mantendo a temperatura constante)
Medir a propagação de ondas sonoras
Medidas de condutividade elétrica
Difração de raios X
Como a fração transformada é medida?
8
Taxa de transformação de fase
Equação de Avrami => y = 1- exp (-kt n)
– k e n são parâmetros específicos de
transformação
transformação completa
log t
Fra
ção
tra
nsfo
rmada
, y
T constante
fração
transformada
tempo
0,5
Por convenção taxa = 1 / t0,5
Adapted from
Fig. 10.10,
Callister &
Rethwisch 8e.
taxa máxima alcançada – quantidade não convertida diminui e taxa diminui
t0,5 taxa aumenta quando a área de
superfície aumenta e núcleos crescem
Nucleação Crescimento
9
Influência da temperatura na taxa de
transformação
• Para recristalização de cobre, como
taxa = 1/t0,5
taxa aumenta com o aumento da temperatura
• com frequência, a taxa é tão baixa de modo que a
obtenção de estados de equilíbrio não é possível!
Adapted from Fig.
10.11, Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 10.11 adapted
from B.F. Decker and
D. Harker,
"Recrystallization in
Rolled Copper", Trans
AIME, 188, 1950, p.
888.)
135C 119C 113C 102C 88C 43C
1 10 102 104
Porc
enta
gem
recrista
lizada
Tempo (min)
escala logarítmica
10
Transformações e resfriamento
• Para transformação ocorrer, deve
ocorrer resfriamento para T < 727ºC
• Transformação Eutetoide (sistema Fe-Fe3C): g a + Fe3C
0,76 %p. C 0,022 %p. C
6,7 %p. C
Fe
3C
(cem
entita
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6.7
L
g
(austenita)
g +L
g +Fe3C
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) C, %p. C
1148ºC
T(ºC)
a
ferrita 727ºC
Eutetoide: Resf. equi.: Ttransf. = 727ºC
T
Resfriamento para Ttransf. < 727C
0,7
6
0,0
22
Adapted from Fig.
9.24,Callister & Rethwisch
8e. (Fig. 9.24 adapted from
Binary Alloy Phase
Diagrams, 2nd ed., Vol. 1,
T.B. Massalski (Ed.-in-
Chief), ASM International,
Materials Park, OH, 1990.)
11
A transformação eutetoide Fe-Fe3C
Perlita grossa formada em temperaturas mais altas – relativamente macia
Perlita fina formada em temperaturas mais baixas – relativamente dura
• Transformação de austenita para perlita:
Adapted from
Fig. 9.15,
Callister &
Rethwisch 8e.
g a a a a
a
a
direção de crescimento da perlita
Austenita (g)
contorno de grão
cementita (Fe3C)
Ferrita (a)
g
Difusão de C durante a transformação
a
a
g g
a Difusão
de
carbono
• Para esta transformação,
taxa aumenta com:
[Teutetoide – T ] (T). Adapted from
Fig. 10.12,
Callister &
Rethwisch 8e.
675ºC
(T menor)
0
50
y (
% p
erl
ita
) 600ºC
(T maior) 650ºC
100
% a
uste
nita
Tempo (s)
12
Adapted from Fig. 10.13,Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 10.13 adapted from H.
Boyer (Ed.) Atlas of Isothermal
Transformation and Cooling
Transformation Diagrams, American
Society for Metals, 1977, p. 369.)
Geração de Diagramas de Transformação
Isotérmicos
• O sistema Fe-Fe3C, for C0 = 0,76% p. C
• Temperatura de transformação de 675ºC.
100
50
0 1 10 2 10 4
T = 675ºC
y,
% t
ransfo
rmada
tempo (s)
400
500
600
700
1 10 10 2 10 3 10 4 10 5
Austenita (estável) TE (727ºC)
Austenita (instável)
Perlita
T(ºC)
tempo (s)
transformação isotérmica a 675ºC
Considerar:
13
• Composição eutetoide, C0 = 0,76%p. C
• Começa em T > 727ºC
• Resfriamento rápido até 625ºC
• Manter T (625ºC) constante (tratamento isotérmico)
Adapted from Fig.
10.14,Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 10.14
adapted from H. Boyer
(Ed.) Atlas of Isothermal
Transformation and
Cooling Transformation
Diagrams, American
Society for Metals, 1997,
p. 28.)
Transformação isotérmica
da austenita em perlita
400
500
600
700
Austenita (estável) TE (727ºC)
Austenita
(instável)
Perlita
T(ºC)
1 10 10 2 10 3 10 4 10 5
tempo (s)
g g
g
g g
g
14
Transformações envolvendo
composições não eutetoides
Composição hipereutetoide – cementita pró-eutedoide
Considerar C0 = 1,13%p. C
a
TE (727ºC)
T(ºC)
tempo (s)
A
A
A +
C
P
1 10 102 103 104
500
700
900
600
800
A +
P
Adapted from Fig. 10.16,
Callister & Rethwisch 8e. Adapted from Fig. 9.24,
Callister & Rethwisch 8e.
Fe
3C
(cem
entita
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400 0 1 2 3 4 5 6 6,7
L
g (austenita)
g +L
g +Fe3C
a +Fe3C
L+Fe3C
d
(Fe) C, %p. C
T(ºC)
727ºC T
0,7
6
0.0
22
1,1
3
15
10 10 3
10 5
tempo (s) 10
-1
400
600
800
T(ºC) Austenita (estável)
200
P
B
TE A
A
Bainita: outro produto de
transformação no sistema Fe-Fe3C • Bainita:
-- partículas de Fe3C alongadas em
uma matriz de ferrita a
-- difusão controlada
• Diagrama de transformação isotérmico
C0 = 0,76% p. C
Adapted from Fig. 10.18,
Callister & Rethwisch 8e.
Adapted from Fig. 10.17, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 10.17 from Metals
Handbook, 8th ed., Vol. 8, Metallography,
Structures, and Phase Diagrams, American
Society for Metals, Materials Park, OH,
1973.)
Fe3C
(cementita)
5 mm
a (ferrite)
100% bainita
100% perlita
16
• Esferoidita (cementita globulizada): -- partículas de Fe3C no interior de uma
matriz de ferrita a
-- formação necessita de difusão
-- aquecer bainita ou perlita em
temperatura logo abaixo da
eutetoide por longos tempos
(recozimento subcrítico)
-- força motriz – redução
da área de interface ferrita a/Fe3C
Esferoidita: Outra microestrutura para
o sistema Fe-Fe3C
Adapted from Fig. 10.19, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 10.19 copyright
United States Steel Corporation,
1971.)
60 mm
a
(ferrita)
(cementita)
Fe3C
17
• Martensita: -- g(CFC) para Martensita (TCC)
Adapted from Fig. 10.21, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 10.21 courtesy
United States Steel Corporation.)
Adapted from Fig. 10.20,
Callister & Rethwisch 8e.
Martensita: um produto de
transformação fora do equilíbrio
Agulhas de martensita Austenita
60 m
m
x
x x
x
x
x sítios que podem
ser ocupador por C
átomos
de Fe
Adapted from
Fig. 10.22,
Callister &
Rethwisch 8e.
• Diagrama de transformação isotérmico
• transformação de g para
martensita (M)
-- é rápida! (sem difusão)
-- % transf. depende somente de T
e da taxa de resfriamento 10 10
3 10
5 tempo (s) 10 -1
400
600
800
T(ºC) Austenita (estável)
200
P
B
TE A
A
M + A M + A
M + A
0% 50% 90%
18
g (CFC) a (CCC) + Fe3C
Formação da martensita
resf. lento
revenido
têmpera
M (TCC)
Martensita (M) – monofásica
– possui estrutura cristalina tetragonal
de corpo centrado (TCC)
Tranformação sem difusão
TCC poucos planos de escorregamento dura, frágil
g (CFC) a (CCC) + Fe3C
Martensita revenida
resf. lento
revenido (tratamento térmico
entre 250 e 650ºC)
têmpera
M (TCC)
Martensita revenida – a (CCC) + Fe3C
matriz
Adapted from Fig. 10.33, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 10.33 courtesy
United States Steel Corporation.)
20
Trasformações de fases em ligas
Efeito da adição de outros elementos
Mudança na temperatura de
transição.
Cr, Ni, Mo, Si, Mn
atrasam a reação
g a + Fe3C
(e a formação de perlita, bainita)
Adapted from Fig. 10.23,
Callister & Rethwisch 8e.
Tem
pera
tura
(ºC
)
Tem
pera
tura
(ºF
)
Tempo (s)
Temperatura eutetoide
21
Adapted from Fig. 10.25,
Callister & Rethwisch 8e.
Diagramas de transformação por
resfriamento contínuo
Conversão do diagrama de transformação isotérmico para o diagrama de transformação por resfriamento contínuo
Tem
pera
tura
(ºC
)
Tem
pera
tura
(ºF
)
Temperatura eutetoide
Transformação por
resfriamento
contínuo
Curva de resfriamento
22
Tratamento térmico isotérmico -
Exemplo
No diagrama de transformação isotérmica
para uma liga Fe-C com 0,45% p. de C,
esboce e identifique as trajetórias tempo-
temperatura para as seguintes
microestruturas:
a) 42% de ferrita pró-eutetoide e 58% de
perlita grossa
b) 50% de perlita fina e 50% de bainita
c) 100% de martensita
d) 50% de martensita e 50% de austenita
23
Solução da Parte (a) do Exemplo
a) 42% de ferrita pró-eutetoide e 58% de perlita grossa
Tratamento isotérmico a
~ 680ºC
-- toda austenita se
transforma em a pró-
eutetoide e perlita grossa.
A + B
A + P
A + a A
B P
A 50%
0
200
400
600
800
0.1 10 103 105 tempo (s)
M (start)
M (50%)
M (90%)
Adapted from
Fig. 10.29,
Callister 5e.
diagrama Fe-Fe3C,
para C0 = 0,45% p. C
0.58 = 0.022 0.76
0.022 0.45 =
0.022 0.76
0.022 C Wperlita
0
W a = 1 0.58 = 0.42
T (ºC)
24
b) 50% de perlita fina e 50% de bainita
Solução da Parte (b) do Exemplo
T (ºC)
A + B
A + P
A + a A
B P
A 50%
0
200
400
600
800
0.1 10 103 105 tempo (s)
M (start)
M (50%)
M (90%)
Adapted from
Fig. 10.29,
Callister 5e.
diagrama Fe-Fe3C,
para C0 = 0,45% p. C
Então tratar isotermicamente
a ~ 470ºC
– toda a austenita remanescente
se transforma em bainita.
Tratar isotermicamente a
~ 590ºC
– 50% da austenita se transforma
em perlita fina.
25
Soluções das Partes (c) e (d) do Exemplo
c) 100% martensita – têmpera até Tambiente
d) 50% de martensita
e 50% de austenita -- têmpera até ~ 290ºC,
manter nesta temperatura
T (ºC)
A + B
A + P
A + a A
B P
A 50%
0
200
400
600
800
0.1 10 103 105 tempo (s)
M (start)
M (50%)
M (90%)
Adapted from
Fig. 10.29,
Callister 5e.
diagrama Fe-Fe3C,
para C0 = 0,45% p. C
d)
c)
26
Propriedades mecânicas: Influência do teor de C
Adapted from Fig. 9.30,
Callister & Rethwisch 8e.
• Aumento no teor de C: LRT e LE aumentam, %AL diminui
C0 < 0,76% p. C
Hipoeutetoide
Perlita (média) ferrita (macia)
Adapted from Fig. 9.33,
Callister & Rethwisch 8e.
C0 > 0,76% p. C
Hipereutetoide
Perlita (média)
C ementita (dura)
Adapted from Fig.
10.29, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig.
10.29 based on data
from Metals
Handbook: Heat
Treating, Vol. 4, 9th
ed., V. Masseria
(Managing Ed.),
American Society for
Metals, 1981, p. 9.) 300
500
700
900
1100 LE(MPa)
LRT(MPa)
%p. C 0 0,5 1
dureza
0,7
6
Hipo Hiper
%p. C 0 0,5 1
0
50
100
%AL
Eerg
ia d
e im
pacto
(Iz
od
, ft
-lb)
0
40
80
0,7
6
Hipo Hiper
27
Propriedades mecânicas: Perlita fina vs.
Perlita grossa vs. Esferoidita
Adapted from Fig. 10.30, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig. 10.30 based on
data from Metals Handbook: Heat
Treating, Vol. 4, 9th ed., V. Masseria
(Managing Ed.), American Society for
Metals, 1981, pp. 9 and 17.)
• Dureza:
• %RA: fina > grossa > esferoidita
fina < grossa < esferoidita
80
160
240
320
%p. C 0 0,5 1
Dure
za
Brinell
perlita fina
perlita grossa
esferoidita
Hipo Hiper
0
30
60
90
%p. C D
uctilid
ade
(%
RA
)
perlita fina
perlita grossa
esferoidita
Hipo Hiper
0 0,5 1
28
Propriedades mecâncias: Perlita fina vs.
Martensita
• Dureza: perlita fina << martensita.
Adapted from Fig. 10.32,
Callister & Rethwisch 8e. (Fig.
10.32 adapted from Edgar C.
Bain, Functions of the Alloying
Elements in Steel, American
Society for Metals, 1939, p. 36;
and R.A. Grange, C.R. Hribal,
and L.F. Porter, Metall. Trans. A,
Vol. 8A, p. 1776.)
0
200
%p. C 0 0,5 1
400
600
Du
reza
Brine
ll martensita
perlita fina
Hipo Hiper
29
Martensita Revenida
• martensita revenida menos frágil que a martensita
• revenido reduz tensões internas causadas pela têmpera
Adapted from Fig.
10.33, Callister &
Rethwisch 8e. (Fig.
10.33 copyright by
United States Steel
Corporation, 1971.)
• revenido diminui LE, LRT mas aumenta %RA
• revenido produz partículas pequenas de Fe3C circundadas por a.
Adapted from
Fig. 10.34,
Callister &
Rethwisch 8e.
(Fig. 10.34
adapted from
Fig. furnished
courtesy of
Republic Steel
Corporation.)
9 m
m
LE (MPa)
LRT (MPa)
800
1000
1200
1400
1600
1800
30
40
50
60
200 400 600 T revenido (ºC)
%RA
LRT
LE
%RA
Tratamento térmico na martensita para formar martensita
revenida
30
Resumo das possíveis transformações Adapted from
Fig. 10.36,
Callister &
Rethwisch 8e.
Austenita (g)
Perlita (camadas de a + Fe3C
+ fase pró-eutetoide)
resf. lento
Bainita (a + partículas Fe3C along.)
resfriamento moderado
Martensita (transformação
para fase TCC sem difusão)
Têmpera rápida
Martensita revenida (a + finas
partículas de Fe3C)
reaquecimento
Resis
tência
Du
ctilid
ad
e Martensita
Martensita rev. Bainita
Perlita fina Perlita grossa
Esferoidita
Tendência geral
Bibliografia
• Callister 8ª edição – Capítulo 10 completo
• Outras referências importantes – Askeland, D.R.; Pradeep P. F.; Wright, W. J. Phulé, P.P. - The Science and
Engineering of Materials. CENGAGE Learning. 6a edição. 2010. Cap. 12 e 13
– CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos. 7. ed., São Paulo: ABM, 2012.
Cap. I, II, III e IV