Transformação de Fases
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Transformação de Fases
Transformação de fase é a alteração
no números de fases e/ou na
natureza da fase que envolve
alguma alteração na
microestrutura
Tipos de transformações de fases
Aquelas que dependem de difusão, onde não há alteração no
número nem na composição das fases presentes.
(Solidificação, transformações alotrópicas, recristalização e
crescimento de grão)
Aquelas que dependem de difusão, envolvendo, entretanto,
alguma alteração na composição das fases e, freqüentemente,
no número de fases também. (Reações eutetóide, eutética e
peritética)
Aquelas que não dependem da ocorrência de difusão,
resultando numa fase metaestável. (Transformação
martensítica)
Do ponto de vista microestrutural, o primeiro
processo a acompanhar uma transformação
de fases é a nucleação, que consiste na
formação de embriões, seguidos de núcleos
da nova fase, que podem agregar mais
volume e área superficial (crescimento)
Para transformações em estado sólido que exibem o
comportamento cinético, a fração da transformação é uma
função do tempo:
Equação de Avrami
y 1 exp(kt n )
Onde:
k e n são constantes
independentes do tempo.
Por convenção, a taxa de deformação, r, é tomada como
sendo o inverso do tempo necessário para que a
transformação prossiga até a metade da sua conclusão (t0,5)
r
1
t0,5
A temperatura é uma das variáveis que está sujeita a controle e ela
pode ter uma influência profunda sobre a cinética e, portanto, sobre a
taxa de transformação
Cobre puro
Onde:
R= a constante dos gases;
T= temperatura absoluta;
A= constante independente da temperatura;
Q= energia de ativação específica para a
reação em questão.
Q / RT
r Ae
Transformações Multifásicas
As transformações de fases podem ser forjadas em
sistemas de ligas metálicas pela variação da
temperatura, da composição e da pressão externa;
entretanto, as alterações de temperatura através de
tratamentos térmicos são mais convenientemente
utilizadas para induzir as transformações de fases.
Uma limitação dos diagramas de fase consiste na sua
incapacidade de indicar o tempo que é necessário para
que o equilíbrio seja atingido. Nenhuma informação
sobre as taxas de transformação de fases é dada no
diagrama de fases.
A taxa de aproximação do equilíbrio para sistemas
sólidos é tão lenta, que ele quase nunca é atingido.
Para mudanças de fases que ocorrem durante o
resfriamento em condições de equilíbrio, as
transformações são deslocadas para temperaturas
mais baixas do que aquelas indicadas pelo diagrama
de fases.
Para mudanças de fases que ocorrem durante o
aquecimento, as transformações são deslocadas para
temperaturas mais elevadas.
Esses fenômenos são chamados de super-resfriamento
e sobreaquecimento, respectivamente.
Transformações isotérmicas
Transformação de austenita
em perlita de uma liga ferrocarbono de composição
eutetóide.
Os dados da curva foram
coletados para uma amostra
composta inicialmente de
100% de austenita e resfriada
até a temperatura indicada no
gráfico, na qual se processou
a transformação.
Na Temperatura Eutetóide:
γ(0,76%p C) → α(0,022%p C) + Fe3C (6,70%p C)
Diagrama de Transformação Isotérmica
Essa é a maneira
mais conveniente de
representar
transformações de
fases difusionais, i.e,
dependentes do
tempo e da
temperatura.
Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono
com composição eutetóide, mostrando a superposição da curva para
um tratamento térmico isotérmico (ABCD)
A
transformação
da austenita
em perlita
começa no
ponto C e
termina no
ponto D.
A perlita grosseira é formada por
lamelas espessas de ferrita e
cementita.
A perlita fina é
formada por
lamelas finas, que
nucleiam-se
progressivamente
com a diminuição
da temperatura e
como
conseqüência da
diminuição na taxa
de difusão.
Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferrocarbono com 1.13%p C.
Onde:
A= austenita;
C= cementita;
P= perlita.
Bainita
A bainita é o produto de uma transformação autenítica em
alguns aços e ferros fundidos . Ela se forma em
temperaturas entre aquelas nas quais ocorrem as
transformações perlíticas (mais elevadas) e
martensíticas (mais baixas). A microestrutura consiste
em uma fina dispersão de cementita na ferrita-α.
Diagrama de transformação isotérmica para uma liga ferro-carbono
com composição eutetóide, incluindo as transformações da austenita
em perlita e da austenita em bainita.
Cementita globulizada
A cementita globulizada é uma microestrutura que se
forma a partir de uma liga de aço que possui
microestrutura perlítica ou bainítica e que tenha sido
aquecida a uma temperatura abaixo da eutetóide
durante um período suficientemente longo.
Fotomicrografia de um aço que possui uma microestrutura de
cementita globulizada. As partículas pequenas são de cementita
e a fase contínua consiste em ferrita α.
1000x
Martensita
A martensita pode estar presente em ligas ferrosas ou não, induzida
por resfriamento rápido e/ou por deformação através do cisalhamento
da rede cristalina ao longo de planos e direções cristalográficas
específicas.
Em aços austenitizados, a martensita é formada através de
resfriamento rápido (têmpera) até uma temperatura inferior à Mi
(temperatura de início de transformação martensítica) ou por
deformação abaixo da temperatura Md (temperatura de início de
transformação martensítica por deformação).
A martensita, que é resultante de uma transformação adifusional da
austenita, não é uma fase de equilíbrio.
Qualquer difusão que venha porventura ocorrer em tratamentos
posteriores à transformação martensítica, resultará na formação das
fases ferrita e cementita.
Na transformação martensítica existe apenas um pequeno
deslocamento de cada átomo em relação ao seu vizinho.
A austenita do aço comum ao carbono e alguns outros, CFC, quando
temperada, sofre uma transformação polimórfica em martensita
tetragonal de corpo centrado (TCC)
Para ligas que contêm menos do que cerca de 0,6%p C
A transformação martensítica também é conhecida como
transformação atérmica
Para aços comuns ao carbono que contêm
concentrações de carbono superiores a
aproximadamente 0,6%p C
Para todos os fins
práticos a
transformação
martensítica é
independente do
tempo.
Diagrama de
transformação
isotérmica completo
para uma liga ferrocarbono com
composição
eutetóide, onde:
A= austenita;
B= bainita;
M= martensita;
P= perlita.
Diagrama de
transformação isotérmica
para um aço-liga, onde:
A= austenita;
B=bainita;
M=martensita;
F= ferrita proeutetóide.
Diagrama de transformação por resfriamento contínuo
Curvas de
resfriamento
moderadamente
rápido e de
resfriamento lento
sobrepostas a um
diagrama de
transformação
por resfriamento
contínuo para
uma liga ferrocarbono com
composição
eutetóide.
Diagrama de
transformação por
resfriamento contínuo
para uma liga ferrocarbono com composição
eutetóide e a
superposição das curvas
de resfriamento,
demonstrando a
dependência da
microestrutura final em
relação às
transformações que
ocorrem durante o
resfriamento.
Austenita → Maretensita
Diagrama de
transformação por
resfriamento contínuo
para um aço-liga (AISI
4340) e a superposição
de várias curvas de
resfriamento,
demonstrando a
dependência da
microestrutura final dessa
liga em relação às
transformações que
ocorrem durante o
resfriamento.
Comportamento Mecânico de Ligas
Ferro-Carbono
Perlita
Cementita globulizada
Bainita
Martensita
Martensita revenida
A martensita temperada é muito dura e muito frágil. Assim,
para aumentar a ductilidade e a tenacidade da
martensita e aliviar as tensões é utilizado o tratamento
térmico de revenimento, que dá nome à nova martensita
formada: martensita revenida.
Martensita
→
(TCC, monofásica)
Martensita revenida
(fases α + Fe3C)
Fe3C
Ferrita α
A martensita
revenida pode
guardar
porcentagem
importante da
dureza da
martensita como
temperada,
porém, tem
ductilidade e
tenacidade
substancialmente
aprimoradas
Os limites de
resistência à
tração e de
escoamento e a
ductilidade (%RA)
em função da
temperatura de
revenimento para
um aço-liga (AISI
4340) temperado
em óleo.
A dureza em função do tempo de revenimento
para um aço comum ao carbono (AISI 1080)
com composição eutetóide, que foi temperado
em água.
Fragilização por revenimento
A fragilização de algumas ligas de aço ocorre quando
elementos específicos de liga (Mn,Ni,Cr) e impurezas
(Sb, P, As e Sn) estão presentes e mediante o revenido
dentro de uma faixa de temperatura definida (375575°C), ou acima de 575°C, seguido de resfriamento
lento.
Austenita
Resfriamento
lento
Perlita
( + Fe3C) +
fase próeutetóide
Ferrita ou cementita
Resfriamento
moderado
Resfriamento
rápido (têmpera)
Martensita
(fase tetragonal)
Bainita
( + Fe3C)
Reaquecimento
Martensita Revenida
( + Fe3C)