Universidade Estadual de Ponta Grossa Disciplina: Ciência dos … · 2016. 7. 5. · Perlita...

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)


3


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

7

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. 10.17, 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


Rethwisch 8e. (Fig. 10.19 copyright

United States Steel Corporation,

1971.)

60 mm

a

(ferrita)

(cementita)

Fe3C

17

• Martensita: -- g(CFC) para Martensita (TCC)


Rethwisch 8e. (Fig. 10.21 courtesy

United States Steel Corporation.)



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


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)



Tem

pera

tura

(ºC

)

Tem

pera

tura

(ºF

)

Tempo (s)

Temperatura eutetoide

21



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



• Aumento no teor de C: LRT e LE aumentam, %AL diminui

C0 < 0,76% p. C

Hipoeutetoide

Perlita (média) ferrita (macia)



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


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.


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

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