Transformações de fases dos metais PDF

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Podemos usar as dependências de tempo e temperatura para modificar alguns fases e desenvolver novas transformações de fase?...

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Transformações de fase em metais

 Podemos usar as dependências de tempo e temperatura paramodificar alguns diagramas de fase para desenvolver diagramas de transformação de fase.  É importante saber como usar esses diagramas de transformação paraprojetar um tratamento térmico para alguma liga que irá produzir as propriedades mecânicas desejadas à temperatura ambiente.  Visto que a maioria das transformações de fase não ocorrem instantaneamente, é dada consideração à dependência doprogresso da reação no tempo, ou a taxa de transformação. Bási coss Conceitos Bá  As transformações de fase são importantes no processamento de materiais e geralmente envolvem algunsalteração da microestrutura.  Três classificações de transformações; três grupos: 1. Transformação dependente da difusão simples em que hásem mudanças no número ou na composição das fases presentes. Isso inclui a solidificação de um metal puro, transformações alotrópicas e cristalização e crescimento de grãos. 2. Outra transformação dependente da difusão, háalguma alteração nas composições de fase e freqüentemente no número de fases presentes, a microestrutura final normalmente consiste em duas fases. A reação eutetóide é desse tipo. 3. Transformação sem difusão, em que ummetaestável fase é produzida. A ci nét étic ic a da dass reaç ações d e es estado sólid o  Uma vez que a maioria das transformações envolvem a formação de pelo menos uma nova fase que tem uma composição (e / ou nova estrutura cristalina),alguns rearranjos atômicos via difusão são necessários (a difusão depende do tempo).  Um segundo impedimento para a formação de uma nova fase é o aumento de energia associado ao limites de fase que são criados entre as fases pai e desenvolvida.  Do ponto de vista microestrutural, a transformação de fase requer dois processos: nucleação e crescimento.Nucleação envolve a formação de partículas muito pequenas (submicroscópicas), ou núcleos da nova fase, que são capazes de crescer. Posições favoráveis para a formação desses núcleos são os locais de imperfeições, principalmente contornos de grãos.  O segundo estágio écrescimento, em que os núcleos aumentam de tamanho; durante esse processo, algum volume da fase original desaparece. A transformação chega ao fim se o crescimento dessas novas partículas de fase continuar até que a fração de equilíbrio seja atingida.  Como seria de se esperar,a dependência do tempo da taxa de transformação (freqüentemente chamada de cinética de uma transformação) é uma consideração importante no tratamento térmico de materiais. 

colônia de perlita





T logo abaixoTE T moderadamente abaixoTE T bem abaixoTE Taxa de nucleação baixa

Taxa de nucleação média  Taxa de crescimento alta Crescimento taxa baixa

Taxa de nucleação alta Taxa de crescimento med.

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 A figura mostrada representa o comportamento cinético típico (forma de S) para a maioriareação de estado sólido.Nucleação e estágio de crescimento são indicados.  Para a transformação de estado sólido exibindo o comportamento cinético na figura, a fração da transformação (função do tempo) é (equação de Avrami):

(1) Onde k e n são constantes independentes do tempo para a reação particular.  Por convenção, a taxa de uma transformação r é considerada como o tempo recíproco necessário para que a transformação prossiga na metade do caminho para a conclusão,



(2)

 Temperatura é uma variável em um processo de tratamento térmico que está sujeito a controle e pode ter uma influência profunda na cinética e, portanto, na taxa de uma transformação.  A figura mostrada representa as curvas em forma de S em várias temperaturas para a recristalização de cobre puro em função do tempo.

 Para a maioria das reações e em faixas de temperatura específicas, a taxa aumenta com a temperatura de acordo com. (3) Onde

R = constante de gás T= temperatura absoluta (K) UMA= fator preexponencial (constante independente da temperatura) Q= energia de ativação 2

Tran sformaç ões es mu ltif ifásic ass  Para descrever as transformações de fase que ocorrem durante o resfriamento, os diagramas de fase de equilíbrio são inadequados se a taxa de transformação for lenta em comparação com a taxa de resfriamento.  A taxa de aproximação do equilíbrio para o sistema sólido é tão lenta que as verdadeiras estruturas de equilíbrio são raramente alcançou.  As condições de equilíbrio são mantidas apenas se o aquecimento ou resfriamento for realizado em taxas extremamente lentas e pouco práticas. Para resfriamento diferente de equilíbrio, as transformações são deslocadas para temperaturas mais baixas do que as indicadas pelo diagrama de fase.  Esses fenômenos são denominados super-resfriamento e superaquecimento, respectivamente.  Por exemplo, para a taxa de resfriamento normal, a reação eutetóide ferro-carbono é tipicamente deslocada 10 a 20oC abaixo da temperatura de transformação de equilíbrio.

gr r am as de transf ormação de gr ama mas de tr tran anssforma maçã o iso sottéérm rm i ca (di di aag de te tempo-t -tem peratur a)) Diagr Pea ea r lita Considere novamente o carboneto de ferro-ferro eutetóide reação que é fundamental para o desenvolvimento da microestrutura em ligas de aço. (4)  Após o resfriamento, transformadas de austenita a uma fase de ferrita e cementita.  A temperatura desempenha um papel importante na taxa de transformação de austenita em perlita. A dependência da temperatura para uma liga de ferro-carbono de composição eutetóide é indicada na figura mostrada (curvas de formato S da porcentagem de transformação versus o logaritmo do tempo) em três temperaturas diferentes para cada curva. Pearlite

Austenita

 Paracada curva, os dados foram coletados após o resfriamento rápido de uma amostra composta de 100% de austenita até a temperatura indicada, a temperatura foi mantida constante ao longo do curso da reação. 3

 A maneira mais conveniente de representar a dependência do tempo e da temperatura dessa transformação está na parte inferior da figura mostrada.  Duas curvas sólidas são traçadas: uma representa o tempo necessário em cada temperatura parao começo de a transformação; a outra é para a conclusão da transformação.  A curva tracejada corresponde a50% de transformação conclusão.  Essas curvas foram geradas a partir de uma série de gráficos da transformação de porcentagens em relação ao logaritmo do tempo obtido em uma faixa de temperaturas.  Interpretação deste diagrama: observe primeiro que a temperatura eutetóide (727oC) é indicada por uma linha horizontal; em temperaturas acima do eutetóide e para sempres, apenas austenita 

existirá.  As curvas de início e fim sãoquase paralelo, e eles se aproximam da linha eutetóide assintoticamente.  À esquerda da curva inicial, apenas austenita (instável) estará presente, enquanto à direita da curva de acabamento, apenas a perlita existirá. Nesse meio tempo, a austenita está em processo de transformação em perlita e, portanto, ambas as microestruturas estarão presentes. A curva tracejada corresponde a 50% da conclusão da transformação.  Oquanto menor o tempo, maior será a taxa de transformação (inversamente proporcional, Eq. 10.2). Portanto, na temperatura logo abaixo do eutetóide, tempos muito longos são necessários para a transformação de 50% e, portanto, a taxa de reação é muito lenta (ordem de 10 ^ 5 s).  Oa taxa de transformação aumenta com a diminuição da temperatura de modo que a 540oC apenas 3s são necessários para que a reação chegue a 50% de conclusão.

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 Restrições: o gráfico acima é válido apenas para uma liga de ferro-carbono de composição eutetóide; também, gráficos precisos apenas para transformações nas quais a temperatura da liga é mantida constante durante  são denominadas isotérmico. Portanto, o diagrama acima é conhecido como diagramas de toda a duração da reação.  Condições de temperatura constante transformação isotérmica (IT); ou às vezes como diagramas de transformação tempo-temperatura (TTT).  Exemplo para a curva real de tratamento térmico isotérmico (ABCD) é mostrado a seguir: • Composição eutetóide, Co = 0,76% em peso C • Comece em T> 727o C • Resfrie rapidamente da austenita até 625oC e mantenha isotermicamente (BCD).  A transformação da austenita em perlita começa no ponto C (após ~ 3,5s) e atinge a conclusão por volta de 15s no ponto D.  A proporção da espessura das camadas de ferrita e cementita na perlita é de ~ 8 para 1. No entanto, a espessura da camada depende da temperatura na qual ocorre a transformação isaotérmica:  Em temperaturas logo abaixo do eutetóide, camadas espessas de ferrita e cementita são produzidas; chamadoperlita grossa, formando à direita da curva de conclusão. Aqui, as taxas de difusão são relativamente altas.  Com a temperatura decrescente, a taxa de difusão de carbono diminui e as camadas tornam-se progressivamente mais finas, em torno de 540oC, denominadoperlita fina.

  



Composição eutetóide, Co = 0,76% em peso C. Comece em T> 727o C Resfrie rapidamente a 625o C e mantenha isotermicamente. O resfriamento a temperaturas mais baixas resulta em microestruturas mais finas

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 A figura a seguir mostra fotomicrografias de a) perlita grossa eb) perlita fina para composição eutetóide. (3000x).

 Para ligas de ferro-carbono de outra composição, uma fase proeutetóide (ferrita ou cementita) coexistirá com a perlita (seção 9.18). Assim, curvas adicionais correspondentes a uma transformação proeutetóide devem ser incluídas no diagrama de transformação isotérmica. A próxima figura mostra uma parte de um desses diagramas para 1,13% em peso da liga.

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Bai ain itaa  Outros microconstituintes podem ser produzidos a partir da transformação da austenita, como bainita, que consiste nas fases de ferrita e cementita e, portanto, processos difusionais estão envolvidos em sua formação.  A bainita se forma em agulhas ou placas; dependendo da temperatura de transformação; Muitomultar Microestrutura (visível apenas usando microscopia eletrônica.  Mostrado é ummicrografia eletrônica que mostra um grão de bainita (posicionado diagonalmente da esquerda inferior para a direita superior); é composto por agulhas de ferrita que são separadas por partículas alongadas da fase Fe3C.  A fase que envolve as agulhas é a martensita. Nenhuma fase proeutetóide se forma com bainita.  No diagrama IT, a bainita se forma em temperaturas abaixo daquelas em que a perlita se forma.  O diagrama IT da liga de ferro-carbono de composição eutetóide foi estendido para reduzir temperaturas, como mostrado, as curvas em forma de C têm um " nariz"no ponto N onde a taxa de transformação é máxima.

 Observe queperlite formas entre 540 e 727oC; a bainita se forma entre 215 a 540oC.  Uma vez que alguma parte de uma liga se transformou em perlita ou bainita, a transformação para o outro microconstituinte não é possível sem reaquecimento de volta a austenita.

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 Esf sf ero roid idi t a (ferrite)  Se uma liga de aço com microestrutura de perlita ou bainita foraquecido para, e deixado em, uma temperatura abaixo do eutetóide por um período de tempo suficientemente longo - por exemplo, em cerca Fe3 C de 700ºC por entre 18 e 24 horas - ainda outra microestrutura irá se formar; chamado esferiodito; (cementita) como mostrado.  Em vez de formar perlita ou bainita, a fase Fe3C aparece como partículas esféricas incorporadas em um contínuo Estágio matriz. Esta transformação tem ocorreu por difusão adicional de carbono sem alteração na composição ou quantidades relativas das fases de ferrita e cementita.

60m

Mart rtens nsi t a  Quando ligas de ferro-carbono austenitizadas são rapidamente resfriadas (ou temperadas) a uma temperatura relativamente baixa (na vizinhança do ambiente), a martensita é formada.  Martensita é uma estrutura monofásica sem equilíbrio que resulta de uma transformação sem difusão da austenita.  A transformação martensítica ocorre quando a taxa é rápida o suficiente para evitar a difusão do carbono. Qualquer difusão resultará na formação das fases de ferrita e cementita.  Esta transformação ocorre de tal forma que a austenita FCC experimenta uma transformação polimórfica em um corpo martensita tetragonal centrada (BCT). Veja a célula unitária.  Muitos aços retêm sua estrutura martensítica quase indefinidamente em temperatura ambiente.  Uma vez que a transformação martensítica não envolve difusão, ela ocorre quase instantaneamente; os grãos de martensita nucleados e crescer a um ritmo muito rápido. Assim, o martensítico taxa de transformação, para todos os efeitos práticos, é o tempo independente.  Os grãos de martensita assumem aparência de placa ou agulha, conforme indicado na figura. A fase branca é a austenita que não se transformou durante o rápido resfriamento. Agulhas de martensita

Austenita

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 A transformação de austenita em martensita é apresentada no diagrama de TI mostrado.

 O início desta transformação é apresentado por uma linha horizontal designada M (início). Duas outras linhas tracejadas rotuladas M (50%) e M (90%) indicando as porcentagens de austenita a martensita.  O caráter horizontal e linear dessas linhas indica que a transformação martensítica é independente do tempo, é função apenas da temperatura à qual a liga é temperada ou resfriada rapidamente. Essa transformação é denominada transformação atérmica.  Considere que uma liga de composição eutetóide é resfriada muito rapidamente de uma temperatura acima de 727ºC para, digamos, 165ºC. No diagrama de TI, notamos que 50% da austenita se transformará imediatamente em martensita; e enquanto essa temperatura for mantida, não haverá mais transformação. Aços nos quais o carbono é o principal elemento de liga são denominados aços carbono simples, enquanto os aços-liga contêm a concentração apropriada de outros elementos (por exemplo, Cr, Ni, Mo e W). Austenita retida:  Se a temperatura à qual a liga é temperada não for suficientemente baixa, apenas uma parte da estrutura é transformada em martensita. O resto é austenita retida, que é visível como áreas brancas na estrutura junto com o martenista escuro em forma de agulha.  A austenita retida pode causar instabilidade dimensional e rachaduras, além de diminuir a dureza e a resistência da liga. Martensita temperada:  A martensita é temperada para melhorar suas propriedades mecânicas.  O revenido é um processo de aquecimento pelo qual a dureza é reduzida e a tenacidade é aprimorada. 9

 A martensita BCT é aquecida a uma temperatura intermediária, tipicamente 150ºC – 650ºC, onde se decompõe em uma microestrutura bifásica consistindo de ferrita alfa BCC e pequenas partículas de cementita.  Com o aumento do tempo de revenido e da temperatura, a dureza da martensita revenida diminui (ver Fig a seguir). A razão é que as partículas de cementita coalescem e crescem, e a distância entre as partículas na matriz de ferrita macia aumenta à medida que as partículas de carboneto menos estáveis e menores se dissolvem. A figura mostra a dureza da martensita revenida em função do tempo de revenido para o aço 1080 temperado a 65 HRC. A dureza diminui porque as partículas de carboneto coalescem e aumentam de tamanho, aumentando assim a distância entre as partículas da ferrita mais macia

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COOLING EX:  Resfriar rapidamente até 650o C  Segure por 10 segundos  Resfriar rapidamente até 400o C  Segure por 1000 segundos  Arrefecer rapidamente para a sala T

100% austenita

50% de austenita, 50% perlita

50% de austenita, 50% perlita

50% bainita, 50% perlita

50% bainita, 50% perlita

 COOLING EX:  Resfriar rapidamente até 350o C  Segure por 10.000 segundos  Arrefecer rapidamente para a sala T

100% bainita 100% austenita

100% bainita

 COOLING EX:  Resfriar rapidamente até 250o C  Segure por 100 segundos  Arrefecer rapidamente para a sala T

100% austenita

100% austenita

Principalmente martensita + vestígios de

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Di a gra ma aççãoo de resf meent ram ass de tr tran ansfor m sfri ri aam nto contínuo  O diagrama de transformação isotérmica é válido apenas para temperatura constante; deve ser modificado para resfriamento contínuo.  Para o resfriamento contínuo, o tempo necessário para o início e o fim de uma reação é atrasado. Portanto, as curvas de TI são alteradas para tempos mais longos e temperaturas mais baixas; como mostrado. (ferro-carbono na composição eutetóide).

 Duas curvas de resfriamento são sobrepostas e rotuladas na próxima figura.  Normalmente, a bainita não se forma quando uma liga de composição eutetóide (ou qualquer aço carbono simples) é continuamente resfriada à temperatura ambiente. Isso ocorre porque toda a austenita terá se transformado em perlita no momento em que a transformação da bainita se tornar possível.  Assim, a região que representa a transformação austenita-perlita termina logo abaixo do nariz (curva AB).

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 Para o resfriamento contínuo de uma liga de aço, existe uma taxa de têmpera crítica, que representa a taxa mínima de têmpera que produzirá uma estrutura totalmente martensita, veja a próxima figura.  Observe que apenas existirá martensita para taxas de têmpera maiores que o crítico; além disso, haverá uma gama de taxas nas quais tanto a perlita quanto a martensita são produzidas. Assim, para qualquer curva de resfriamento passando por AB, a transformação cessa no ponto de interseção. Se continuarmos resfriando, a austenita que não reagiu começa a se transformar em martensita ao cruzar a linha M (partida).  Para baixas taxas de resfriamento, desenvolve-se uma estrutura totalmente perlítica.

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Co mpor tam ame n too me cân ân ic o de de l iga gas de f erro-c a rbon on o (le leitura)

Esferoidita

AS: LigaAço PCS: Carbono SimplesAço

Austenita Rápid o Tempe

Martensita

Lento Resfria

Reaque

Resfriamento moderado (AS) Tratamento isotérmico(PCS)

Reaque

grosso

Martensita Temperado

multar

Pearlite Bainite

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