Transformações de Fases em Metais e Microestruturas

Universidade Cruzeiro do Sul Curso de Engenharia Mecânica Materiais de Construção Mecânica II 2º Semestre de 2022 Prof Ms Adriano Mendanha httpsyoutubeqr5Xlf5XOT0 Transformações de fases em metais e microestruturas Conceitos básicos Alterações microestruturais das ligas FeC e propriedades Curvas TTTTransformaçãoTempoTemperatura ou IT Isothermal Transformation ou Curvas em C ou em S CALLISTER JUNIOR W D et al Ciência e Engenharia de Materiais uma introdução 5 ed Rio de Janeiro LTC 2002 COLPAERT H Metalografia Dos Produtos Siderúrgicos Comuns 3 ed São Paulo Edgard Blucher 1997 COSTA E SILVA AL e MEI P Aços e Ligas Especiais 2 ed Sumaré São Paulo Eletrometal SA Metais Especiais 1988 Resfriamento fora do equilíbrio EFEITOS DO NÃOEQUILÍBRIO Ocorrências de fases ou transformações em temperaturas diferentes daquela prevista no diagrama Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagrama Transformações de Fase COM DIFUSÃO Sem variação no número e composição de fases Ex solidificação metal puro e transformação alotrópica Com variação no número e composição de fases Ex Transformação eutética eutetóide SEM DIFUSÃO Ocorre com formação de fase metaestável Ex transformação martensítica A maioria das transformações de fase no estado sólido não ocorre instantaneamente ou seja são dependentes do tempo Temperature C 1600 1538C 1493C 1394C 1270C 1147C 912C 727C 0022 076 430 214 076 0022 67 C Decomposição da Austenita Mecanismos operantes na decomposição da austenita Difusão movimentação e rearranjo dos átomos Lento Cisalhamento deformação da rede cristalina instantâneo Figura 101 Gráfico da fração da transformação em função do logaritmo do tempo típico para muitas transformações em estado sólido onde a temperatura é mantida constante REAÇÃO EUTETÓIDE DOS AÇOS a 727 C γ076 p C α0022 p C Fe3C67 p C Fig 103 Para uma liga ferrocarbono com composição eutetóide 076p C a fração reagida is mais em função do logaritmo do tempo para a transformação de austenita em perlita Cinética de formação da perlita Curva em S t₁ é o tempo de incubação para que a reação y perlita comece a ocorrer na temperatura T₁ Regiões a b c explicadas no texto Curva em C Corresponde a transformação isotérmica da austenita X nariz da curva CURVAS TTT Diagrama de transformação tempotemperatura para a reação de solidificação ilustrando curvas com vários percentuais de finalização Fig 104 Demonstração de como um diagrama de transformação isotérmica parte inferior é gerado a partir de medições da porcentagem da transformação em função do logaritmo do tempo parte superior Adaptado de H Boyer Editor Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams American Society for Metals 1977 p 369 Fig 105 Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferrocarbono com composição eutetóide mostrando a superposição da curva para um tratamento térmico isotérmico ABCD As microestruturas antes durante e após a transformação da austenita em perlita estão mostradas Adaptado de H Boyer Editor Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams American Society for Metals 1977 p 28 Fig 106 Fotomicrografias de amostras de a perlita grosseira e b perlita fina Ampliacão de 3000X De K M Ralls et al An Introduction to Materials Science and Engineering p 361 Copyright 1976 por John Wiley Sons New York Reimpresso sob permissão de John Wiley Sons Inc 14 PERLITA Perlita fina 2030 Rc Perlita grossa 8697 RB FERRITA CURVAS TTT Produtos lamelares Perlita Produtos aciculares Bainita Perlita e Bainitas Agregados de Ferrita e cementita Bainita Superior Ripas de ferrita com cementita precipitada nessas ripas Inferior Agulhas que nucleiam no CG ou no interior do grão austenítico Agulhas de ferrita com cementita ou carboneto ε Bainita Superior Para temperaturas entre aproximadamente 300 e 540C 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 Bainita Inferior A temperaturas mais baixas entre aproximadamente 200 e 300C a bainita inferior é o produto da transformação Para a bainita inferior a fase ferrita existe na forma de placas finas em vez de ripas como ocorre para a bainita superior e partículas esferoidais de cementita na forma de bastões ou lâminas muito finas se formam no interior dessas placas de ferrita Bainita 500x Perlita grossa Perlita fina Bainita superior Bainita inferior Martensita Curvas TTT para aço eutetóide austenitizado a 800C15min com as durezas especificadas das microestruturas 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 CURVA TTT PARA AÇO EUTETÓIDE ALGUMAS CURVAS DE RESFRIAMENTO A TEMPERATURA CONSTANTE PARA UM AÇO EUTETÓIDE E AS RESPECTIVAS MICROESTRUTURAS FORMADAS PARA CADA UM DOS CASOS ALGUMAS CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO PARA UM AÇO EUTETÓIDE E AS RESPECTIVAS MICROESTRUTURAS FORMADAS PARA CADA UM DOS CASOS 23 A FORNO Perlita grossa B AR Perlita fina dura que a anterior CAR SOPRADO Perlita fina que a anterior D ÓLEO Perlita martensita E ÁGUA Martensita No resfriamento contínuo as curvas TTT deslocamse um pouco para a direita e para baixo 24 MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESFRIAMENTO RÁPIDO MARTENSITA A martensita se forma quando o resfriamento for rápido o suficiente de forma a evitar a difusão do carbono ficando o mesmo retido em solução Como consequência disso ocorre a transformação polimórfica mostrada ao lado Como a martensita não envolve difusão a sua formação ocorre instantaneamente independente do tempo Cúbico de face centrada AUSTENITA MARTENSITA TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA COM AUMENTO DE VOLUME que leva à concentração de tensões 25 MICROESTRUTURAS RESULTANTES DO RESFRIAMENTO RÁPIDO MARTENSITA É uma solução sólida supersaturada de carbono não se forma por difusão Microestrutura em forma de agulhas É dura e frágil dureza 6367 Rc Tem estrutura tetragonal cúbica é uma fase metaestável por isso não aparece no diagrama Na martensita todo o carbono permanece intersticial formando uma solução sólida de Ferro supersaturada com Carbono que é capaz transformarse em outras estruturas por difusão quando aquecida MARTENSITA REVENIDA É obtida pelo reaquecimento da martensita fase alfa cementita A dureza cai Os carbonetos precipitam Forma de agulhas escuras TÊMPERA Austenita original a 850 ºC Martensita M MARTENSITA dureza 6367 Rc Martensita Perlita Carboneto M3C Agulhas de Martensita Austenita Retida Martensita e Austenita Retida Carboneto M₇C₃ e Martensita Revenimento MARTENSITA REVENIDA 500x martensita revenida e austenita retida MARTENSITA REVENIDA Matriz Martensítica e Carbonetos Secundários Influência dos Elementos de liga nas curvas de transformação Isotérmicas Fig 1015 O diagrama de transformação isotérmica para um açoliga tipo 4340 A austenita B bainita P perlita M martensita F ferrita proeutetóide Adaptado de H Bover Editor Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams American Society for Metals 1977 p 181 TRANSFORMAÇÕES AUSTENITA Perlita α Fe3C a fase préeutetóide Bainita α Fe3C Martensita fase tetragonal Martensita Revenida α Fe3C Ferrita ou cementita Usando o diagrama de transformação isotérica para uma liga ferrocarbono com composição eutetóide Fig 1014 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 tempotemperatura Em cada caso suponha que a amostra se encontra inicialmente a uma temperatura de 760ºC 1400ºF e que ela foi mantida a essa temperatura por um tempo suficiente para que fosse atingida uma estrutura austenítica completa e homogênea a Resfriamento rápido até 350ºC 660ºF manutenção dessa temperatura durante 104 s e em seguida resfriamento rápido até a temperatura ambiente b Resfriamento rápido até 250ºC 480ºF manutenção dessa temperatura durante 100 s e em seguida resfriamento rápido até a temperatura ambiente c Resfriamento rápido até 650ºC 1200ºF manutenção dessa temperatura durante 20 s resfriamento rápido até 400ºC 750ºF manutenção dessa temperatura durante 103 s e em seguida resfriamento rápido até a temperatura ambiente Fig 1014 O diagrama de transformação isotérmica completo para uma liga ferrocarbono com composição eutetóide A austenita B bainita M martensita P perlita a A 350C a Austenita se transforma isometricamente em bainita essa reação começa após cerca de 10 s e atinge o seu término após transcorridos aproximadamente 500 s Portanto passados 10⁴ s como foi estipulado nesse problema 100 da amostra encontrase na forma de bainita e nenhuma transformação adicional é possível apesar da linha de resfriamento rápido final passar através da região no diagrama que equivale a martensita b Nesse caso levase aproximadamente 150 s a 250C para que a transformação em bainita tenha o seu início de modo que a 100 s a amostra ainda se encontra 100 na forma de Austenita À medida que a amostra é resfriada através da região da martensita tendo início a uma temperatura de aproximadamente 215C progressive é uma maior quantidade de austenita se transforma instantaneamente em martensita Essa transformação já está concluída no momento em que a temperatura ambiente é atingida de tal modo que a microestrutura final consiste em 100 de martensita c Para a curva isotérmica a 650C a perlita começa a se formar após cerca de 7 s depois de transcorridos 20 s apenas cerca de 50 da amostra se transformou em perlita O resfriamento rápido até 400C está indicado pela linha vertical Durante esse resfriamento muito pouca se é que alguma austenita residual irá se transformar em perlita ou bainita embora a curva de resfriamento passe através das regiões de perlita e da bainita no diagrama A 400C começamos a cronometrar o tempo essencialmente no instante zero como está indicado na Fig 1016 dessa forma após passados 10³ segundos todos os 50 de austenita residual terão se transformado completamente em bainita Com o resfriamento rápido temperá até a temperatura ambiente nenhuma transformação adicional é possível uma vez que não existe qualquer austenita residual dessa forma a microestrutura final à temperatura ambiente consiste em 50 de perlita e 50 de bainita Fig 1016 Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferrocarbono com composição eutetóide e os tratamentos térmicos isotérmicos a b e c no ProblemaExemplo 101