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9. Transformações de fases 9. Transformações de fases em metais e microestruturasem metais e microestruturas

- Conceitos básicos- Conceitos básicos- Alterações microestruturais das ligas Fe-C e - Alterações microestruturais das ligas Fe-C e propriedades (curvas Temperatura-Tempo-propriedades (curvas Temperatura-Tempo-Transformação).Transformação).

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Elea

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aria

da

Cos

ta -P

GET

EMA/

PUC

RS RResfriamento fora do equilíbrioesfriamento fora do equilíbrio

EFEITOS DO NÃO-EQUILÍBRIOEFEITOS DO NÃO-EQUILÍBRIO Ocorrências de fases ou transformações Ocorrências de fases ou transformações

em temperaturas diferentes daquela em temperaturas diferentes daquela prevista no diagramaprevista no diagrama

Existência a temperatura ambiente de Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagramafases que não aparecem no diagrama

Cinética das transformações Cinética das transformações equação de Arrhenius: equação de Arrhenius: r=A r=A

expexp-Q/RT-Q/RT

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RS

TRANSFORMAÇÕES DE TRANSFORMAÇÕES DE FASEFASE

COM DIFUSÃOCOM DIFUSÃOo Sem variação no número e composição de fases

Ex: solidificação metal puro e transformação Ex: solidificação metal puro e transformação alotrópicaalotrópica

o Com variação no número e composição de fasesEx: Transformação eutética, eutetóide...Ex: Transformação eutética, eutetóide...

SEM DIFUSÃOSEM DIFUSÃOo Ocorre com formação de fase metaestável

Ex: transformação martensíticaEx: transformação martensíticaA maioria das transformações de fase no estado sólido não ocorre instantaneamente, ou seja, são dependentes do tempo

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RS

CURVAS TTTCURVAS TTT

As curvas TTT estabelecem a As curvas TTT estabelecem a temperatura e o tempo em que temperatura e o tempo em que ocorre uma determinada ocorre uma determinada transformaçãotransformação

Só tem validade para Só tem validade para transformações a temperatura transformações a temperatura constante constante

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RS

CURVAS TTTCURVAS TTT

início final

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RSEx 1: CURVA TTTEx 1: CURVA TTT PARA AÇO PARA AÇO EUTETÓIDEEUTETÓIDE

Temperatura de austenitização

+Fe3C

Perlita

-Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo, por isso na curva TTT a mesma corresponde a uma reta).

Martensita

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RSEX 2: CURVAS TTTEX 2: CURVAS TTT PARA AÇO PARA AÇO EUTETÓIDE COM ASEUTETÓIDE COM AS DUREZAS DUREZAS ESPECIFICADAS DAS MICROESTRUTURASESPECIFICADAS DAS MICROESTRUTURAS

Perlita grossa ~86-97HRB

Perlita fina ~20-30HRC

Troostita ~30-40HRC

Bainita superior ~40-45 HRC

Bainita inferior~50-60 HRC

Martensita 63-67 HRC

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PUC

RSEx 3: ALGUMAS CURVAS DE Ex 3: ALGUMAS CURVAS DE RESFRIAMENTO A RESFRIAMENTO A TEMPERATURA CONSTANTETEMPERATURA CONSTANTE, PARA UM AÇO , PARA UM AÇO EUTETÓIDE, E AS RESPECTIVAS EUTETÓIDE, E AS RESPECTIVAS MICROESTRUTURAS FORMADAS PARA CADA UM MICROESTRUTURAS FORMADAS PARA CADA UM DOS CASOSDOS CASOS

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RSEx 4: ALGUMAS CURVAS DE Ex 4: ALGUMAS CURVAS DE RESFRIAMENTO RESFRIAMENTO CONTÍNUOCONTÍNUO, PARA UM AÇO EUTETÓIDE, E AS , PARA UM AÇO EUTETÓIDE, E AS RESPECTIVAS MICROESTRUTURAS FORMADAS RESPECTIVAS MICROESTRUTURAS FORMADAS PARA CADA UM DOS CASOSPARA CADA UM DOS CASOS

A (A (FORNOFORNO)= Perlita )= Perlita grossagrossa

B (B (ARAR)= Perlita + fina (+ )= Perlita + fina (+ dura que a anterior)dura que a anterior)

C(C(AR SOPRADOAR SOPRADO)= Perlita )= Perlita + fina que a anterior+ fina que a anterior

D (D (ÓLEOÓLEO)= Perlita + )= Perlita + martensitamartensita

E (E (ÁGUAÁGUA)= Martensita)= Martensita

No resfriamento contínuo, as curvas TTT deslocam-se um pouco para a direita e para baixo

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RSEx 5: CURVAS TTTEx 5: CURVAS TTT E E MICROESTRUTURAS PARA AÇOS MICROESTRUTURAS PARA AÇOS HIPOEUTETÓIDE E HIPEREUTETÓIDEHIPOEUTETÓIDE E HIPEREUTETÓIDE

0,35% C 0,9 %C

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RSMICROESTRUTURAS MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESULTANTES DO RESFRIAMENTO RÁPIDORESFRIAMENTO RÁPIDO MARTENSITAMARTENSITA- A martensita se forma quando A martensita se forma quando

o resfriamento for rápido o o resfriamento for rápido o suficiente de forma a suficiente de forma a evitar a evitar a difusão do carbonodifusão do carbono, ficando o , ficando o mesmo retido em solução. mesmo retido em solução. Como conseqüência disso, Como conseqüência disso, ocorre a transformação ocorre a transformação polimórfica mostrada ao lado.polimórfica mostrada ao lado.

- Como a martensita não Como a martensita não envolve difusão, a sua envolve difusão, a sua formação ocorre formação ocorre instantaneamente instantaneamente (independente do tempo).(independente do tempo).

Cúbicode face centrada

AUSTENITA

MARTENSITA

TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA COM

AUMENTO DE VOLUME, que leva à concentração de tensões

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PUC

RSMICROESTRUTURAS MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESULTANTES DO RESFRIAMENTO RÁPIDORESFRIAMENTO RÁPIDO MARTENSITAMARTENSITA- - É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão)É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão)-Microestrutura em forma de agulhas -Microestrutura em forma de agulhas - É dura e frágil (dureza: 63-67 Rc)- É dura e frágil (dureza: 63-67 Rc)- Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase metaestável, por isso não - Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase metaestável, por isso não

aparece no diagrama)aparece no diagrama)

Na martensita todo o carbono permanece intersticial, formando uma solução sólida de Ferro supersaturada com Carbono, que é capaz transformar-se em outras estruturas, por difusão, quando aquecida.

MARTENSITA REVENIDAMARTENSITA REVENIDA- - É obtida pelo reaquecimento da martensita (fase alfa + cementita)É obtida pelo reaquecimento da martensita (fase alfa + cementita)- A dureza cai- A dureza cai- Os carbonetos precipitam- Os carbonetos precipitam- Forma de agulhas escuras- Forma de agulhas escuras

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RS

MARTENSITA MARTENSITA (dureza: 63-67 (dureza: 63-67 Rc)Rc)

Martensita nos aços

Martensita no titânio

A transf. Martensítica ocorre c/ aumento de

volume

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RS MARTENSITA REVENIDAMARTENSITA REVENIDA

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RSFotomicrografia de uma liga de memória de forma (69%Cu-26%Zn-5%Al), mostrando as agulhas de martensita numa matriz de austenita

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RS PERLITAPERLITAPerlita fina:

20-30 Rc

Perlita grossa:

86-97 RB

FERRITA

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RSMICROESTRUTURAS RESULTANTES MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESFRIAMENTO FORA DAS DO RESFRIAMENTO FORA DAS CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIOCONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO BAINITABAINITA- Ocorre a uma temperatura inferior a do joelho- Ocorre a uma temperatura inferior a do joelho- Forma de agulhas, contendo - Forma de agulhas, contendo ferrita e cementitaferrita e cementita, que só , que só

podem ser vistas com microscópio eletrônicopodem ser vistas com microscópio eletrônicoDureza: bainita superior 40-45 Rc e bainita acidular 50-60

Rc ESFEROIDITAESFEROIDITA- É obtida pelo reaquecimento (abaixo do eutetóide) da - É obtida pelo reaquecimento (abaixo do eutetóide) da

perlita ou bainita, durante um tempo bastante longoperlita ou bainita, durante um tempo bastante longo TROOSTITATROOSTITA- os carbonetos precipitam de forma globular (forma escura)- os carbonetos precipitam de forma globular (forma escura)- Tem baixa dureza (30-40 Rc)

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RS Microestrutura da Bainita Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas contendo finíssimas agulhas das fasesdas fases

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RS TRANSFORMAÇÕESTRANSFORMAÇÕESAUSTENITA

Perlita( + Fe3C) + a

fase próeutetóide

Bainita

( + Fe3C)

Martensita

(fase tetragonal)

Martensita Revenida

( + Fe3C)

Ferrita ou cementita

Resf. lento Resf. moderadoResf. Rápido (Têmpera)

reaquecimento

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RSFATORES QUE AFETAM A FATORES QUE AFETAM A POSIÇÃO DAS CURVAS TTT NOS POSIÇÃO DAS CURVAS TTT NOS AÇOSAÇOS

Teor de carbonoTeor de carbono Tamanho do grão da austenitaTamanho do grão da austenita Composição química Composição química

(elementos de liga)(elementos de liga)

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RS TEOR DE CARBONOTEOR DE CARBONO

Quanto menor o teor de Quanto menor o teor de carbono (abaixo do eutetóide) carbono (abaixo do eutetóide) mais difícil de se obter mais difícil de se obter estrutura martensíticaestrutura martensítica

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RS

COMPOSIÇÃO COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGAQUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA

Quanto maior o teor e o número dos elementos de Quanto maior o teor e o número dos elementos de liga, mais numerosas e complexas são as liga, mais numerosas e complexas são as reaçõesreações

Todos os elementos de liga Todos os elementos de liga (exceto o Cobalto)(exceto o Cobalto)

deslocam as curvas para a direita, retardando as deslocam as curvas para a direita, retardando as transformaçõestransformações

Facilitam a formação da martensitaFacilitam a formação da martensita

*** Conseqüência: em determinados aços pode-se obter martensita mesmo com resfriamento lento

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RSEFEITO DA COMPOSIÇÃO EFEITO DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA NAS QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA NAS CURVAS TTTCURVAS TTT

AISI 1335AISI 1335 AISI 5140AISI 5140

Mesmo teor de carbono mas com diferentes elementos de liga

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RS

COMPOSIÇÃO COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGAQUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA

AISI 4340AISI 4340 neste aço é possível obter bainita por neste aço é possível obter bainita por resfriamento contínuoresfriamento contínuo

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RS

COMPOSIÇÃO COMPOSIÇÃO QUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGAQUÍMICA/ELEMENTOS DE LIGA

AISI 1321 cementadoAISI 1321 cementado as linhas Mi e Mf são as linhas Mi e Mf são abaixadas. abaixadas.

Neste aço a formação da martensita não se finaliza, levando a se ter Neste aço a formação da martensita não se finaliza, levando a se ter austenita residual a temperatura ambiente.austenita residual a temperatura ambiente.

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RS

TAMANHO DE GRÃO DA TAMANHO DE GRÃO DA AUSTENITAAUSTENITA

Quanto maior o tamanho de grão mais Quanto maior o tamanho de grão mais para a direita deslocam-se as curvas para a direita deslocam-se as curvas TTTTTT

Tamanho de grão grande dificulta a Tamanho de grão grande dificulta a formação da perlita, já que a mesma formação da perlita, já que a mesma

inicia-se no contorno de grãoinicia-se no contorno de grão

Então, tamanho de grão grande favorece Então, tamanho de grão grande favorece a formação da martensitaa formação da martensita

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RS

TAMANHO DE GRÃO DA TAMANHO DE GRÃO DA AUSTENITAAUSTENITA

No entanto deve-se evitar tamanho de No entanto deve-se evitar tamanho de grão da austenita muito grande porque:grão da austenita muito grande porque:

Diminui a tenacidadeDiminui a tenacidade Gera tensões residuaisGera tensões residuais É mais fácil de empenarÉ mais fácil de empenar É mais fácil de ocorrer fissurasÉ mais fácil de ocorrer fissuras

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RS

HOMOGENEIDADE DA HOMOGENEIDADE DA AUSTENITAAUSTENITA

Quanto homogênea a austenita mais para Quanto homogênea a austenita mais para a direita deslocam-se as curvas TTTa direita deslocam-se as curvas TTT

Os carbonetos residuais ou regiões ricas Os carbonetos residuais ou regiões ricas

em C atuam como núcleos para a em C atuam como núcleos para a formação da perlitaformação da perlita

Então, uma maior homogeneidade Então, uma maior homogeneidade favorece a formação da martensitafavorece a formação da martensita

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RSTRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS E CONTROLE DA E CONTROLE DA MICROESTRUTURAMICROESTRUTURAFinalidade:Finalidade:

Alterar as microestruturas e como Alterar as microestruturas e como consequência as propriedades consequência as propriedades mecânicas das ligas metálicasmecânicas das ligas metálicas