Aula 7

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Ciência dos Materiais I - Prof. Nilson – Aula 7
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Ciência dos Materiais I
Prof. Nilson C. Cruz
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Transformações de Fases
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Transformações de Fases
1) Transformações envolvendo difusão
	
		1a) Transformações alotrópicas, solidificação de metal puro, crescimento de grãos: Não existem alterações no número ou na composição das fases presentes.
		1b) Transformações com alguma alteração nas fases presentes. Ex. reação eutetóide.
2) Transformações sem difusão onde ocorre a formação de uma fase metaestável
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Cinética das Reações no Estado Sólido 
	
	Como a maioria das reações dá origem à formação de novas fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As etapas de uma transformação são:
	1) Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova fase.
	2) Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que as condições de equilíbrio sejam atingidas.
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Núcleos
diminuem
Núcleos
crescem
Variação da energia livre, G
Energia de livre de superfície 
GS = 4r2
 (necessita de energia para criar a interface, desestabiliza os núcleos) 
Energia livre volumétrica
GV = 4/3 r3 G
(libera energia)
GT = GS + GV (energia livre total)
r* = raio crítico
= tensão superficial
G = energia livre / unidade de volume
Nucleação, crescimento e energia livre
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Cinética das Reações no Estado Sólido 
	A cinética de uma reação (= dependência com relação ao tempo da taxa de transformação) é fundamental para o tratamento térmico de materiais.
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Cinética das Reações no Estado Sólido 
y = fração de transformação 
k, n = constantes
t = tempo de aquecimento
(Equação de Avrami)
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Cinética das Reações no Estado Sólido 
	A taxa de transformação r é o inverso do tempo necessário para que metade da transformação ocorra:
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Cinética das Reações no Estado Sólido 
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Cinética das Reações no Estado Sólido 
Influência da temperatura sobre a taxa de transformação
(Ex. recristalização do cobre)
Fração Recristalizado (%)
Tempo (min)
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Influência da temperatura sobre a taxa de transformação
De uma maneira geral,
r = Ae -Q/RT
A = constante independente de T
Q = energia de ativação da reação
R = constante universal dos gases = 8,31 J/mol-K
T = temperatura absoluta (K)
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Transformações multifásicas 
 Transformações de fase podem ocorrer em função de variações de temperatura, pressão e composição. Os tratamentos térmicos (=cruzar um contorno entre fases no diagrama de fases) são a forma mais conveniente de induzir transformações de fases.
 O diagrama de fases não indica o tempo necessário para transformações em equilíbrio.
 Na prática, os tempos de resfriamento necessários para as transformações entre estados de equilíbrio são inviáveis. 
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Transformações multifásicas 
Transformações fora das condições de equilíbrio ocorrem em temperaturas menores.
Super-resfriamento
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Transformações multifásicas 
No aquecimento, o deslocamento se dá para temperaturas mais elevadas.
Sobreaquecimento
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Diagramas de Transformações Isotérmicas 
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Diagramas de Transformações Isotérmicas 
Porcentagem de Perlita
Tempo (s)
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Diagramas de Transformações Isotérmicas 
	Uma maneira mais conveniente de representar a dependência de uma reação com o tempo e a temperatura é o diagrama de transformação isotérmica:
r = Ae -Q/RT ?
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Diagramas de Transformações Isotérmicas 
Taxa de Nucleação
Taxa de Crescimento
Temperatura de transformação em equilíbrio
Taxa total de Transformação 
 Temperatura
Taxa 
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Diagramas de Transformações Isotérmicas 
Temperatura constante ao longo de toda a transformação
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Diagramas de Transformações Isotérmicas “Reais”
Indica a ocorrência de uma transformação
Transformação austenitaperlita
Perlita grosseira
Temperatura eutetóide
Austenita
Temperatura (°C)
Tempo (s)
Perlita fina
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Perlita Grosseira
Perlita Fina
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	A perlita se torna mais fina com a redução da temperatura de transformação.
	Para temperaturas entre 300 e 540 °C ocorre a formação de agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita. Esta estrutura é conhecida por bainita superior.
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	Para temperaturas entre 200 e 300 °C ocorre a formação de placas finas de ferrita e partículas de cementita. Esta estrutura é conhecida por bainita inferior.
Perlita = estrutura lamelar
Bainita = agulhas ou placas
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A = austenita
P = perlita
B = bainita
Diagramas de Transformações Isotérmicas
Perlita
Bainita
Taxa máxima
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	Transformações perlíticas e bainíticas são concorrentes.
	A taxa da transformação bainítica aumenta com o aumento da temperatura
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Cementita Globulizada
	Se uma liga perlítica ou bainítica for aquecida e mantida por um tempo suficientemente longo a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide (ex. 700 °C, 18 a 24 horas), tem-se a formação da Cementita Globulizada. 
Cementita
Ferrita
 Partículas esféricas reduzem a área dos contornos entre as fases!
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Transformação martensítica
	Quando a austenita é resfriada rapidamente (temperada) até temperaturas próximas à ambiente tem-se a formação de uma estrutura monofásica fora de equilíbrio: a martensita.
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Transformação martensítica
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Transformação martensítica
Não envolve difusão  transformação instantânea
menos de 0,6%p C  ripas
mais de 0,6%p C  lentículas
Duas diferentes microestruturas:
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Transformação martensítica
As linhas horizontais indicam que a transformação não depende do tempo. Ela é apenas uma função da temperatura de resfriamento! (transformação atérmica)
Temperatura (°C)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide 
M (início)
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Transformação martensítica
 Aço 4340 = 95,2% Fe, 0,4% C, 1,8% Ni, 0,8% Cr, 0,25% Mo, 0,7% Mn
	A presença de outros elementos além do carbono altera o diagrama de transformação isotérmica.
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 A maioria dos tratamentos térmicos envolve o resfriamento contínuo até a temperatura ambiente  diagrama de transformação isotérmica não é mais válido. 
Transformação por
 resfriamento contínuo
 Os tratamentos isotérmicos não são os mais práticos pois a liga tem de ser aquecida a uma temperatura maior que a temperatura eutetóide e então resfriada rapidamente e mantida a uma temperatura elevada! 
 No resfriamento contínuo, as curvas isotérmicas são deslocadas para tempos maiores e temperaturas menores. 
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Diagrama de transformação por resfriamento contínuo
Transformação por resfriamento contínuo
Temperatura (°C)
Tempo (s)
Temperatura eutetóide
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Diagrama de transformação por resfriamento contínuo
Resfriamento moderadamente rápido e resfriamento lento
Resfriamento moderadamente rápido (normalização)
Resfriamento lento (recozimento total)
Temperatura (°C)
Tempo (s)
transformação durante o resfriamento
Indica uma 
Perlita
fina
Perlita
grosseira
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Transformação por
 resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento.
Martensita
Martensita
 +
Perlita 
Perlita
M (início)
Taxa crítica de resfriamento
= taxa mínima para produção de uma estrutura totalmente martensítica 
Temperatura (°C)
Tempo (s)
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Transformação por
resfriamento contínuo: taxa crítica de resfriamento para ligas.
 A presença de outros elementos diminuem a taxa de resfriamento crítica.
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C 
A cementita é muito mais dura que a ferrita!
Índice de dureza Brinell
Composição (%p C)
Limite de escoamento e resistência à tração (103 psi)
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C 
Limite de escoamento = tensão mínima para provocar deformação plástica (permanente).
Limite de resistência à tração = tensão máxima suportada sob tração sem sofrer fratura.
Ex. Esfera de 10 mm
Dureza Brinell
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C 
A cementita é muito mais frágil que a ferrita!
Alongamento
Redução 
de área
Energia de impacto Izod (ft-lbf)
Composição (%p C)
Ductibilidade (%)
%p Fe3C
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C 
Composição (%p C)
Índice de Dureza Brinell
A perlita fina é mais dura que a perlita grosseira!
 Existe forte aderência entre ferrita e cementita através dos contornos entre as fases  e Fe3C. Quanto maior a área superficial, maior a dureza.
 Os contornos de grão restringem o movimento de discordâncias. Assim, maior área superficial, maior dureza.
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
 Menor área de contorno de grãos por unidade de volume = menor dureza e maior ductibilidade
Cementita globulizada 
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Bainita
Temperatura de transformaçao (°C)
Índice de dureza Brinell
Limite de resistência à tração (MPa)
Bainita
Perlita
Partículas mais finas
Maior resistência
Maior dureza.
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita
A liga de aço mais dura,
mais resistente e
mais frágil!
 A dureza está associada à eficiência dos átomos de carbono em restringir o movimento das discordâncias.
 Como a austenita é mais densa que a martensita, ocorre aumento de volume durante a têmpera podendo causar trincas.
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
 Após a têmpera, a martensita é tão frágil que não pode ser usada na maioria das aplicações.
 Pode-se melhorar a ductibilidade e a tenacidade da martensita com um tratamento térmico, o revenido.
 Revenido = aquecimento a temperaturas abaixo da temperatura eutetóide durante algum tempo seguido por resfriamento lento até a temperatura ambiente.
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
	O revenido permite, através de processos de difusão, a formação da martensita revenida:
Martensita
 (TCC, monofásica)
Martensita revenida
 ( + Fe3C)
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
(pequenas partículas de Fe3C em uma matriz de ferrita)
Cementita
Ferrita
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
Cementita Globulizada
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
Martensita
Martensita revenida
 a 371°C
Dureza Brinell
Composição (%p C)
 A martensita revenida é quase tão dura quanto a martensita!
 A fase contínua de ferrita confere ductibilidade à martensita revenida
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Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Martensita Revenida
 Como o revenido envolve difusão do carbono, quanto maior a temperatura e/ou o tempo de tratamento, maior será a taxa de crescimento (=diminuição da área de contato entre os grãos) das partículas de Fe3C e, portanto, do amolecimento da martensita.
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Austenita
(ferrita CFC)
Comportamento mecânico das ligas Fe-C
Resumo
Perlita
( + Fe3C)
Bainita
( + partículas Fe3C
Martensita
(TCC)
Resfriamento
lento
Resfriamento
moderado
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita revenida
Reaquecimento