Transformações de Fase

7/21/2019 Transformações de Fase

http://slidepdf.com/reader/full/transformacoes-de-fase 1/41

Departamento e

Ciência dos Materiais

e MetalurgiaMET 1847 - Materiais de Engenharia / aula 4

Conteúdo Programático da Aula

3. Transformações Difusionais

3.1 Nucleação e crescimento de cristais;

3.2 Mecanismos de difusão;3.3 Transformações isotérmicas;

3.4 Transformações contínuas;

3.5 Transformações isotérmicas versus contínuas.



Departamento eCiência dos Materiais


Relevância do Estudo

O desenvolvimento de determinadas propriedades mecânicas queirão conferir ao material características de desempenho dependem,muitas vezes, de modificações microestruturais durante o processamento.

Tais modificações microestruturais são representadas de maneiraconveniente por diagramas que incorporam transformações de fase emfunção do tempo e da temperatura de processamento. A aplicação

destes diagramas permite o planejamento e a realização adequada detratamentos térmicos, com o objetivo de conferir ao material aspropriedades mecânicas desejadas.

D





Figura 1: Esquema temperatura versus tempo de solidificação [3].

D t t





Figura 2: Esquema de solidificação e crescimento de grão em meio líquido [3].

D t t





Figura 3: Influência do superesfriamento térmico sobre a variação da energia livre eraio crítico de solidificação [3].

Departamento e





Algumas transformações de fase são importante no processamento

do material e, geralmente, envolvem alterações microestruturais. Sedividem em três tipos:

– transformações que dependem de difusão*, mas não existe

qualquer alteração no número e na composição das fasespresentes. Por exemplo, a solidificação de um metal puro;

– transformações que dependem de difusão e existem alteraçõesno número e na composição das fases presentes. Normalmente,a microestrutura final é bifásica. Por exemplo, a reação eutetóideapresentada na aula anterior;

* transporte de massa através do movimento de átomos

Departamento e





– transformações que ocorrem sem difusão, resultando numa fasemetaestável. Por exemplo, a transformação martensítica.

Departamento e





Figura 4: Mecanismo de difusão por lacunas (a) e intersticial (b) [1].

Departamento e





A maioria das transformações no estado sólido não acontece de maneira

instantânea, pois alguns impedimentos ocorrem durante a transformação ea tornam dependente do tempo. Por exemplo:

• a maioria das transformações envolve a formação de pelo menos umanova fase, com composição e estrutura cristalina diferentes daquelaque a originou. São necessários rearranjos atômicos, por difusão, paraque a transformação se processe.

• aumento de energia do sistema, como conseqüência do aparecimentode contornos (fronteiras) entre a fase que está se transformando

(original) e aquela resultante da transformação (nova).

Departamento e





Microestruturalmente, as transformações de fase se processam em

duas etapas:

• nucleação, que consiste na formação de núcleos (embriões) da novafase em meio àquela de se transforma. Estes embriões, se atingiremum tamanho mínimo necessário a estabilidade termodinâmica (raiocrítico), são capazes de crescer. A nucleação ocorre preferencialmentnos contornos de grão da fase original.

• crescimento, quando os núcleos estáveis da nova fase aumentam seutamanho, provocando a diminuição do volume da fase original. Atransformação atinge seu término se for permitido que o crescimentoprossiga até que a condição de equilíbrio seja atingida.

Departamento e





Os diagramas de fase não permitem a previsão dotempo necessário para que a transformação seja

concluída, isto é, que a condição de equilíbrio da novafase seja atingida.

Departamento e





A dependência da fração transformada da nova faseem relação ao tempo de processamento (cinética da

transformação) é de fundamental importância nas

modificações microestruturais resultantes.Geralmente, a cinética da transformação é medidacom a temperatura constante (transformação

isotérmica).

Departamento e





Figura 5: Representação esquemática da cinética de uma reação isotérmica [1].

Departamento e





Figura 6: Transformação isotérmica da austenita (M) em perlita (P)

no aço eutetóide [4].

Departamento e



pCiência dos Materiais


A maioria das transformações de fase exigeum tempo finito para se processar por completo.

A taxa de transformação na condição de

equilíbrio é tão lenta que microestruturas noverdadeiro equilíbrio raramente são obtidas.

Departamento e





Para transformações em resfriamentos eaquecimentos fora das condições de equilíbrio,

as transformações são deslocadas paratemperaturas mais baixas (super-resfriamento)

ou mais altas (sobreaquecimento),respectivamente, do que aquelas indicadas pelo

diagrama de equilíbrio.

Departamento e





O deslocamento das transformações dependeda taxa de variação da temperatura. Quanto

mais rápido for o resfriamento ou aquecimento

imposto ao material, maior será o super-resfriamento ou sobreaquecimento sofrido

pelo mesmo.

Departamento e





Figura 7: Cinética da transformação isotérmica da perlítica no aço

eutetóide em função da temperatura [1].

Departamento eCiê i d M i i





A dependência da transformação de fase em umatemperatura constante em relação ao tempo éexpressa de maneira adequada por diagramas

de transformações isotérmicas ou diagramas detransformação tempo-temperatura

(Diagramas TTT ).

Departamento eCiê i d M t i i





Figura 8: Diagrama TTT parcial do aço eutetóide [1].

Departamento eCiê i d M t i i





Em relação a figura anterior:

• as duas linhas cheias marcam o início e final da transformação

isotérmica (no exemplo 675ºC).

• a linha tracejada representa 50% da transformação concluída.

• a temperatura eutetóide está indicada por uma linha horizontal.

• para uma temperatura acima da eutetóide, para qualquer tempo

existe apenas austenita .

• abaixo da temperatura eutetóide a austenita fica instável.






• a transformação da austenita em perlita ocorre somente com

o super-resfriamento do material.

• o início e final da transformação dependem da temperatura

de processamento.

• em temperaturas imediatamente abaixo daquela eutetóide,

isto é, pequenos super-resfriamentos, a taxa de reação é

muito lenta. Por exemplo, a 700ºC são necessários longos

tempos (10**5 s) para que 50% da reação ocorra.






• para maiores super-resfriamentos (por exemplo 540ºC) a

cinética da reação aumenta consideravelmente e em apenas

3 s, 50% da transformação austenita→ perlita está completa.

• nesta temperatura, a taxa de transformação é controlada pelataxa de nucleação, que aumenta com o aumento do super-resfriamento.

• em temperaturas mais baixas, a transformação é controladapela difusão, o que reduz novamente a velocidade da

transformação.






Figura 9: Formação de perlita isotérmica no aço eutetóide [1].






Em relação a figura anterior:

• um resfriamento brusco (AB) antecede o início da

transformação perlítica.

• a transformação perlítica se inicia no ponto C (~ 3,5 s)e se processa isotermicamente, estando concluída no

ponto D (~ 15 s).

• aparecimento de perlita grosseira e perlita fina.






Em relação a formação da perlita isotérmica:

• a espessura das camadas de ferrita e cementita na

estrutura lamelar da perlita dependem da temperatura

de formação.• temperaturas imediatamente abaixo daquela eutetóide

produzem camadas relativamente espessas, tanto para

a ferrita como para a cementita, numa microestruturadenominada de perlita grosseira.

• Com a diminuição da temperatura, existe a redução daespessura das camadas, originando a perlita fina.






Figura 10: Micrografia de perlita fina (a) e perlita grosseira (b) [1].






Figura 11: Dureza de aços comuns em função da quantidade de carbono

e microestrutura [1].





Figura 12: Ductilidade de aços comuns em função da quantidade de carbono

e microestrutura [1].





Figura 13: Quantidade de constituintes em função da quantidade carbono

de aços comuns recozidos [6].





Importante

A Figuras 5 e 6 se referem somente ao Diagrama

TTT do aço eutetóide. Para outros tipos aços, asconfigurações do diagrama serão modificadas.





Para aços com composições diferentes da eutetóide,

uma fase pró-eutetóide (ferrita ou cementita) existirá

conjuntamente com a perlita. Portanto, curvas quecorrespondam a estas transformações tambémdevem ser incluídas nos respectivos Diagramas TTT.





Figura 14: Diagrama TTT de um aço hipoeutetóide [7].





Figura 15: Diagrama TTT de um aço hipereutetóide [6].





Deve ser enfatizado que os Diagramas TTT

representam transformações isotérmicas. Sendo assim,

os mesmos não devem adotados para prevertransformações que ocorram sob condições deresfriamento contínuo, isto é, que apresentem uma

continuidade no resfriamento durante as

transformações (transformações contínuas).


M t l i




É possível a modificação dos Diagramas TTT para quese consiga prever as transformações de fase durante

os resfriamentos contínuos. A modificação dos

Diagramas TTT resulta nos diagramas detransformações em resfriamento contínuo

(Diagramas CCT ).


M t l i




Figura 16: Superposição dos diagramas TTT e CCT do aço eutetóide [1].


M t l gi




Figura 17: Formação de perlita durante resfriamentos moderadamente

rápido e lento [1].


e Metalurgia




Tudo isto acontece em transformações no equilíbrio(isotérmicas) ou perto do equilíbrio, isto é, transformações

contínuas relacionadas com resfriamentos lentos (recozimento)

ou moderadamente rápidos (normalização) !!!!!


e MetalurgiaMET 1847 M t i i d E h i / l 4




Importante

Resfriamentos em condições de equilíbrio ou

perto do equilíbrio resultam em microestruturasestáveis.


e MetalurgiaMET 1847 M t i i d E h i / l 4




1. W. D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: umaIntrodução. LTC Editora, Rio de Janeiro (2002).

3. M. P. Campos Filho e G. J. Davies, Solidificação e Fundição de

Metais e suas Ligas. LTC / EDUSP, Rio de Janeiro (1978).

4. R. A. Higgins, Propriedades e Estrutura dos Materiais em

Engenharia. DIFEL, São Paulo (1992).

6. R. M. Brick, R. W. Pense and R. B. Gordon, Structure and Properties

of Engineering Materials. McGraw-Hill Kogakusha, Tokio (1992)7. R. W. Honeycombe, Steels: Microstructure and Properties. Edward

Arnold, Cambridge (1992).

Transformações de Fase

Documents

Transcript of Transformações de Fase