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A maioria das transformações de fases exige um tempo finito para atingir

a sua conclusão e a velocidade ou a taxa com que ocorrem é, com

frequência, importante na relação entre o tratamento térmico e o

desenvolvimento da microestrutura.

Uma limitação dos diagramas de fases consiste na sua incapacidade em

indicar o tempo que é necessário para que o equilíbrio seja atingido.

A taxa de aproximação do equilíbrio para sistemas sólidos é tão lenta

que estruturas em verdadeiro equilíbrio raramente são atingidas.

São mantidas condições de equilíbrio somente quando o aquecimento

ou o resfriamento é executado utilizando taxas extremamente lentas.

TRANSFORMAÇÕES DE FASES

DIAGRAMAS TTT

Nos diagramas de equilíbrio o tempo de transformação é desprezado,

pois para se obter as fases termodinamicamente estáveis é necessário

que a transformação ocorra de forma lenta, permitindo que o equilíbrio

termodinâmico em função da composição e da temperatura seja mantido.

Os Diagramas TTT (Transformação-Tempo-Temperatura)

descrevem o início e o final de uma reação (transformação) a uma

dada temperatura, em função do tempo, isto é, descrevem a cinética

da reação.

A maioria das transformações no estado sólido não ocorre

instantaneamente, mas necessita de algum tempo para que possa

ocorrer.

DIAGRAMAS TTT

Limitações dos diagramas TTT

1 – Cada liga possui um diagrama TTT correspondente, assim um

diagrama TTT para um aço com composição eutetóide é válido

somente para esta composição, para outras composições, as

curvas terão configurações diferentes.

2 – Esses gráficos são precisos somente para os casos de

transformações em que a temperatura da liga é mantida constante

ao longo de toda a duração da reação.

As condições de temperatura constante são conhecidas por

isotérmicas, devido a isso esses gráficos também são

conhecidos por Diagramas de Transformações Isotérmicas.

+

+L

0,17

0,008

0,09

CFC

CCC

Fra

çã

o d

a tra

nsfo

rmação

,

y

Logarítmo do tempo de

aquecimento, t

Nucleação Crescimento

TRANSFORMAÇÕES NO ESTADO SÓLIDO

Comportamento cinético típico para a maioria das reações

em estado sólido

1 - Nucleação, que consiste na

formação de partículas, ou núcleos,

muito pequenos da nova fase, as quais

são capazes de crescer.

2 - Crescimento ao longo do qual os

núcleos aumentam de tamanho,

durante esse processo, uma parte do

volume da fase original desaparece.

A transformação atinge seu término

se for permitido que o crescimento das

partículas da nova fase prossiga até

que a proporção em condições de

equilíbrio seja atingida.

DIAGRAMAS TTT

Demonstração de como

um diagrama de

transformação isotérmica

(parte inferior) é gerado a

partir de medições da

porcentagem da

transformação em função do

logarítmo do tempo (parte

superior), para um aço com

composição eutetóide

(0,76%p C).

Tempo (s)

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Tem

pera

tura

(°F

)

Po

rce

nta

ge

m d

a

au

ste

nita

tra

nsfr

om

ad

a

em

pe

rlita

Curva de início

(0% de perlita)

Curva de conclusão

(100% de perlita)

Curva de 50% de conclusão

(50% de perlita)

Temperatura eutetóide Austenita estável

Austenita instável

Final da transformação

Início da

transformação

Temperatura de

transformação 675°C

675°C

Diagrama TTT para um aço com composição eutetóide

Tempo (s)

Tem

pera

tura

(°C

)

Tem

pera

tura

(°F

)

Ferrita Perlita gosseira

Temperatura eutetóide

Austenita estável

Perlita fina

Transformação

austenita perlita

727°C

Fe3C

1 dia 1 h 1 min 1 s

Indica que a transformação

está ocorrendo

Perlita grosseira: Camadas relativamente espessas, tanto da fase ferrita

como da fase Fe3C. Em temperaturas mais altas, as taxas de difusão são mais

elevadas, de tal modo que durante a transformação os átomos de carbono podem

se difundir ao longo de distâncias relativamente longas, o que resulta na formação

de lamelas grossas.

Perlita Grosseira


Perlita Fina: Com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão do carbono

diminui e as camadas se tornam progressivamente mais finas. Essa estrutura com

camadas finas é produzida na vizinhança de 540°C.

Perlita Fina

P: Perlita

A: Austenita

B: Bainita

Diagrama de transformação

isotérmica para uma liga ferro-

carbono com composição

eutetóide, incluindo as

transformações da austenita

em perlita e da austenita em

bainita.

Tempo (s)

Te

mp

era

tura

(°C

)

Tem

pe

ratu

ra (

°F)


Bainita inferior

Bainita superior

Perlita grosseira

Perlita fina

Austenita

Austenita

Austenita

50% 0% 100%


Bainita: Como ocorre com a perlita, a microestrutura de cada uma das

bainitas (superior e inferior) consiste nas fases ferrita e cementita,

entretanto, seus arranjos são diferentes da estrutura lamelar alternada

encontrada na perlita.


Dependendo da temperatura de

transformação, dois tipos de

bainita são observados:

Bainita superior

Bainita inferior

Bainita Superior: Para temperaturas entre aproximadamente 300 e

540°C a bainita se forma como uma série de ripas paralelas (isto é, tiras

finas e estreitas) ou agulhas de ferrita que se encontram separadas por

partículas alongadas da fase cementita.

Martensita

Cementita

Ferrita


Observação:

Neste exemplo a fase

que está em volta da

bainita é a martensita.

Na microestrutura

apresentada parte da

austenita se

transformou em bainita

e parte em martensita.

Bainita inferior: Em temperaturas mais baixas, entre aproximadamente

200 e 300°C, a bainita inferior é o produto da transformação. Na bainita

inferior, a fase ferrita existe na forma de placas finas e partículas estreitas

de cementita (na forma de bastões ou lâminas muito finas) se formam no

interior das placas de ferrita.

Martensita

Cementita

Ferrita


Observação:

Na microestrutura apresentada

parte da austenita se transformou em

bainita e parte em martensita.

REGIÃO DE TRANSIÇÃO ENTRE PERLITA E BAINITA

Diagrama TTT para um aço eutetóide

mostrando a região de transição entre a

perlita e a bainita.

No diagrama TTT de um aço eutetóide há uma região de

transição em que existe tanto perlita como bainita.

Diagrama TTT completo para um aço com composição eutetóide

P: Perlita

A: Austenita

B: Bainita

M: Martensita

Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono com

composição eutetóide (0,76%p C), incluindo todas as transformações:

Martensita: é formada quando ligas Fe-C austenitizadas são resfriadas

rapidamente (ou temperadas) até uma temperatura relativamente baixa (na

vizinhança da temperatura ambiente).

Austenitização: Aquecimento da liga Fe-C em temperaturas dentro

do campo de fases em que só há austenita () (acima de 727°C) por

tempo suficiente para que exista somente austenita na microestrutura.


A martensita é monofásica, com

estrutura tetragonal de corpo centrado

(a = b c; = = = 90°), que não se

encontra em equilíbrio, resultante de uma

transformação da austenita.


Na transformação martensítica o resfriamento do material é muito

rápido, não ocorrendo a difusão do carbono.

Essa transformação ocorre quase instantaneamente, dessa

forma, a taxa de transformação martensítica, para todas as

finalidades práticas, é independente do tempo.

Sendo uma fase fora de equilíbrio, a martensita não aparece no

diagrama Fe-Fe3C.

Dependendo do teor de carbono, a martensita pode ser:

Em ripa

Lenticular ou em placas

Blocos

Ripas

Blocos

Martensita em ripa: para ligas Fe-C que contêm menos do que

cerca de 0,6%p C, os grãos de martensita se formam como ripas,

isto é, placas longas e finas, lado a lado, alinhadas paralelamente

umas com as outras.

Além disso, essas ripas estão agrupadas em entidades

estruturais maiores, conhecidas por blocos.


Martensita lenticular ou em placas: é encontrada em ligas Fe-

C que contêm mais do que cerca de 0,6%p C.

Com essa estrutura os grãos de martensita adquirem uma

aparência em forma de agulha (isto é, lenticular).

Os grãos com formato de agulha

são a fase martensita, enquanto as

regiões em branco representam a

austenita que não se transformou

durante o processo de resfriamento

rápido (têmpera) ampliação de

1220x.


RELAÇÃO ENTRE MICROCONSTITUINTE E DUREZA

Perlita grosseira

Perlita fina

Bainita superior

Bainita inferior

INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA

A presença de outros elementos de liga além do carbono (por

exemplo: Cr, Ni, Mo e W) pode causar alterações significativas nas

posições e nas formas das curvas nos diagramas de transformação

isotérmica (TTT).

Essas alterações incluem:

1 – deslocamento do joelho da transformação isotérmica da

austenita em perlita para tempos mais longos (e também do

joelho da fase proeutetóide, caso tal seja existente).

2 – a formação de um joelho separado para a bainita.

INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA

Diagrama TTT para um aço-liga (ABNT4340)

Tem

pe

ratu

ra (

°C)

Tem

pe

ratu

ra (

°F)


Austenita

Austenita F+P

B

A+B

A+F A+F+

P

50%

Martensita+Austenita

M (Início)

M (50%) M (90%)

Martensita

Tempo (s) F: Ferrita

P: Perlita

A: Austenita

B: Bainita

Composição química do aço

ABNT 4340 (% em peso):

C: 0,37-0,43% Si: 0,15-0,35%

Mn: 0,60-0,80% Cr: 0,70-0,90%

Mo: 0,20-0,30% Ni: 1,65-2,00%

S 0,025%

O aço ABNT 4340 é

utilizado, por exemplo, na

fabricação de virabrequins

para tratores, engrenagens e

eixos.

EFEITOS DA SEÇÃO DA PEÇA

A velocidade de resfriamento é afetada pela seção da peça, pois o

interior das peças de maior espessura se resfria mais lentamente que a sua

superfície.

Quando o resfriamento é realizado em água (meios mais drásticos),

a superfície esfria com velocidade superior à do centro, ou seja, a

superfície adquire a estrutura martensítica e, portanto, a máxima

dureza.

No centro da peça, uma parte da austenita se transformou em

perlita e a outra parte se transformou em martensita, ou seja, o centro

adquire, em parte dureza máxima.

Representação esquemática

do efeito da seção da peça

sobre a velocidade de

resfriamento em meios

diferentes.

Te

mp

era

tura

DIAGRAMAS TRC

A maioria dos tratamentos térmicos para os aços envolve o

resfriamento contínuo até a temperatura ambiente.

As transformações dos aços nos processos industriais em sua

maioria ocorrem por resfriamento contínuo e não isotermicamente.

Em vista disso, foram desenvolvidos os diagramas TRC.

Diagrama TRC (Transformação por Resfriamento Contínuo):

Um gráfico contendo as curvas modificadas para início e término da

reação de transformação.

No resfriamento contínuo é possível controlar a taxa de

resfriamento, dependendo do meio de resfriamento utilizado.

Superposição dos TTT e transformação por TRC para um aço com

composição eutetóide.

Austenita Temperatura eutetóide

M (Início)

M (50%)

M (90%)

Tem

pera

tura

(°C

)

Te

mp

era

tura

(°F

)

Transformação por

resfriamento

contínuo

Tempo (s)

Curvas de resfriamento moderadamente rápido e de resfriamento lento

superpostas sobre um diagrama TTT para um aço com composição eutetóide

Resfriamento

lento: no interior

do forno

Resfriamento

moderadamente

rápido: ao ar

DIAGRAMAS TRC

Normalmente, a bainita não irá se formar quando uma liga com

composição eutetóide (0,76%p C) ou para qualquer aço comum ao carbono

for resfriado continuamente até a temperatura ambiente.

Isso ocorre porque toda a austenita terá se transformado em perlita

quando a liga tiver atingido a temperatura em em que a transformação em

bainita se tornar possível.

Para qualquer curva de

resfriamento que passe através de AB,

a transformação da austenita em

perlita termina no ponto de interseção

com AB, com a continuidade do

resfriamento, o restante da austenita

que não se transformou em perlita se

transforma em martensita.

Austenita 727°C

Austenita+

Martensita

M(Início)

M(90%)

Martensita

A

A+P Perlita

A

Curva 1: aço com estrutura

formada por perlita grosseira

(resfriamento no forno)

1 2


formada por perlita fina

(resfriamento ao ar)

Exemplos de curvas TRC para um aço eutetóide (0,76%p C)

3


formada por perlita e

martensita (resfriamento em

óleo)

Austenita 727°C

Austenita+

Martensita

M(Início)

M(90%)

Martensita

A

A+P Perlita

A

Curva 4: corresponde à

menor velocidade de

resfriamento para a qual

há a transformação da

austenita em martensita,

normalmente denominada

de velocidade crítica

(resfriamento em água)

4 Curva 5: para qualquer

velocidade de resfriamento

acima da velocidade

crítica, a estrutura

resultante é martensítica

(resfriamento em água

gelada)

5

Exemplos de curvas TRC para um aço eutetóide (0,76%p C)

DIAGRAMAS TTT E TRC

Os diagramas de transformação isotérmica (TTT) e por

resfriamento contínuo (TRC) podem ser considerados diagramas de

fases onde o parâmetro tempo é introduzido.

Cada um deles é determinado experimentalmente para uma liga

com uma composição específica, onde as variáveis são a

temperatura e o tempo.

Esses diagramas permitem prever a microestrutura após um

dado intervalo de tempo em tratamentos térmicos à temperatura

constante (curvas TTT) e por resfriamento contínuo (curvas TRC).

EXEMPLO

(a) Resfriamento rápido até 350°C, manutenção dessa temperatura

durante 104s (10000s), e em seguida resfriamento rápido até a

temperatura ambiente

(b) Resfriamento rápido até 250°C, manutenção dessa temperatura


temperatura ambiente.

(c) Resfriamento rápido até 650°C, manutenção dessa temperatura



(d) Resfriamento rápido até 600°C, manutenção dessa temperatura

durante 5s, e em seguida resfriamento rápido até a temperatura

ambiente.

Usando o diagrama TTT para um aço eutetóide, especifique a natureza da

microestrutura final (em termos dos microconstituintes presentes e das

porcentagens aproximadas) de uma pequena amostra que foi submetida aos

seguintes tratamentos tempo-temperatura. Em cada caso, suponha que a amostra

se encontra inicialmente a uma temperatura de 800°C, e que ela foi mantida a essa

temperatura por um tempo suficiente para que fosse atingida uma estrutura

austenítica completa e homogênea.

EXEMPLO - SOLUÇÃO

(a) 100% Bainita superior

(a) Resfriamento rápido até

350°C, manutenção dessa

temperatura durante 104s

(10000s), e em seguida

resfriamento rápido até a


Observação:

Bainita superior: entre

300 e 540°C

Bainita inferior: entre

200 e 300°C

EXEMPLO - SOLUÇÃO

(b) 100% Martensita

(b) Resfriamento rápido até






Observação: É

considerado 100% de

martensita, mas na prática

sempre há uma

porcentagem de austenita

que não se transformou,

sendo chamada de

austenita residual ou

austenita retida.

(c) 100% Perlita grosseira

(c) Resfriamento rápido até






EXEMPLO - SOLUÇÃO

(d)

50% Perlita Fina + 50% martensita

(d) Resfriamento rápido até


temperatura durante

aproximadamente 5s, e em

seguida resfriamento rápido

até a temperatura

ambiente.

EXEMPLO - SOLUÇÃO

(a)

(a) 100%

Bainita

Superior

(a) Resfriamento rápido até


temperatura durante 104s, e em

seguida resfriamento rápido até

a temperatura ambiente

EXEMPLO - SOLUÇÃO

(b) Resfriamento rápido até





(b)

(b)

100%

Martensita

(c)

(c) 100%

Perlita

Grosseira

(c) Resfriamento rápido até





(d) Resfriamento rápido até


temperatura durante

aproximadamente 5s, e em

seguida resfriamento rápido até a


(d)

50% Perlita

Fina + 50%

Martensita

(d)

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