Aula 4 Smm5757

Diagrama de Fase Ferro-Carbono

Reação peritética δδδδ+L →→→→ γγγγ !

1Reação eutetóide γγγγ →→→→ αααα+Fe3C !

Reação eutética L →→→→ γγγγ+Fe3C !

Ligas Fe-C

ferrita

cementita

austenita

Aços FoFos

Diagrama Metaestável Fe-Fe3C

Microestrutura:γ

δ

α

Fases

3

α

Fe3C

Perlita (α+Fe3C)

Ledeburita (γ+Fe3C)

Ledeburita Transformada

ConstituintesBifásicos

(α+Fe3C)

Microestruturas nas ligas Fe-C

Transformação de um aço eutetóide (0,8% de C) em resfriamento lento. No ponto a sua estrutura permanece

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estrutura permanece austenítica. Abaixo da temperatura eutetóide, ponto b, aparece uma estrutura lamelar denominada perlita.

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(a) Microestrutura de um aço eutetóide resfriado lentamente. Consiste em perlita lamelar. A fase mais escura é a cementita, e a fase branca ferrita. (b) Representação esquemática da formação de perlita da austenita: a direção da difusão do carbono está indicado pelas setas.

(a) (b)

Transformação de uma aço hipoeutetóide(0,76% de C) em resfriamento lento. A 875ºC, no ponto c, a microestrutura se constitui apenas de austenita. No ponto d se

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constitui apenas de austenita. No ponto d se observa γ+α. No ponto f toda a austenita presente se transforma em perlita.

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Microestrutura de um aço carbono hipoeutetóidecom 0,38% de carbono resfriado lentatamente. O constituinte branco é a ferrita pró-eutetoíde; o constituinte escuro é a perlita.

Transformação de um aço hipereutetóideresfriado lentamente. Em g se observa apenas austenita, em h, austenita e cementita. No ponto i toda a austenita remanescente

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austenita remanescente é convertida em perlita, de forma que a microestrutura resultante consiste de perlita e cementita pró-eutetóide.

Microestrura de um aço carbono hipereutetóidecom 1,4% de carbono resfriado lentamente. O constituinte branco é a cementita pró-eutetoíde que se formou nos

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que se formou nos contornos de grão da austenita inicial; o constituinte escuro é perlita lamelar grosseira.

Influência de outros elementos de liga

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(a) (b)

(a) Variação da temperatura eutetóide em função da concentração de diversos elementos de liga, (b)Variação da composição eutetóide (%C) em função da concentração dos elementos de liga.

Tratamentos Térmicos• Ao variar o modo como os aços são aquecidos e resfriados pode-resfriados pode-se obter diferentes propriedades mecânicas para o mesmo material.

Fatores de Influência nos Fatores de Influência nos Tratamentos TérmicosTratamentos Térmicos

�� TemperaturaTemperatura�� TempoTempo�� Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento�� Velocidade de resfriamentoVelocidade de resfriamento�� Atmosfera*Atmosfera*

* * para evitar a oxidação ou perda de para evitar a oxidação ou perda de algum elemento químico (ex: algum elemento químico (ex: descarbonetação dos aços)descarbonetação dos aços)

�� Tempo:Tempo:

O tempo de trat. térmico depende muito O tempo de trat. térmico depende muito das dimensões da peça e da das dimensões da peça e da microestrutura desejada.microestrutura desejada.

Fatores de Influência nos Fatores de Influência nos Tratamentos TérmicosTratamentos Térmicos

microestrutura desejada.microestrutura desejada.Quanto maior o tempo:Quanto maior o tempo:

�� maior a segurança da completa dissolução maior a segurança da completa dissolução das fases para posterior transformaçãodas fases para posterior transformação

�� maior será o tamanho de grãomaior será o tamanho de grãoTempos longos facilitam a oxidação

�� Temperatura:Temperatura:

depende do tipo de material e da depende do tipo de material e da transformação de fase ou transformação de fase ou

Fatores de Influência nos Fatores de Influência nos Tratamentos TérmicosTratamentos Térmicos

transformação de fase ou transformação de fase ou microestrutura desejadamicroestrutura desejada

�� Velocidade de Resfriamento:Velocidade de Resfriamento:

-- Depende do tipo de material e da Depende do tipo de material e da transformação de fase ou transformação de fase ou

Fatores de Influência nos Fatores de Influência nos Tratamentos TérmicosTratamentos Térmicos

transformação de fase ou transformação de fase ou microestrutura desejadamicroestrutura desejada

-- É o mais importante porque é ele que É o mais importante porque é ele que efetivamente determinará a efetivamente determinará a microestrutura, além da composição microestrutura, além da composição química do materialquímica do material

Principais Meios de ResfriamentoPrincipais Meios de Resfriamento

� Ambiente do forno (+ brando)� Ar� Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de � Banho de sais ou metal fundido (+ comum é o de Pb)

� Óleo� Água� Soluções aquosas de NaOH, Na2CO3ou NaCl (+ severos)

Recozimento• Consiste em aquecer o metal até a temperatura crítica e resfriar lentamente (dentro do forno).

• Objetivos: diminuir a dureza e melhorar • Objetivos: diminuir a dureza e melhorar a ductilidade dos aços (para usinagem, corte, estampagem, etc), remover gases dissolvidos, homogeneizar a estrutura dos grãos, entre outros.

RECOZIMENTO TOTAL OU PLENO�� Objetivo Objetivo � Amolecer o aço� Regenerar sua microestrutura apagando tratamentos

térmicos anteriores

�� TemperaturaTemperatura�� TemperaturaTemperatura� Hipoeutetóides e eutetóides : 50o C acima do limite

superior da zona crítica� Hipereutetóides: 50o C acima do limite inferior da

zona crítica

�� ResfriamentoResfriamento� Lento (ao ar ou ao forno)

RECOZIMENTO TOTAL OU PLENORECOZIMENTO TOTAL OU PLENO

�� Constituintes microestruturais Constituintes microestruturais resultantesresultantes

HipoeutetóideHipoeutetóide�� ferrita + perlita grosseiraferrita + perlita grosseiraHipoeutetóideHipoeutetóide�� ferrita + perlita grosseiraferrita + perlita grosseiraEutetóide Eutetóide �� perlita grosseiraperlita grosseiraHipereutetóideHipereutetóide�� cementita + perlita grosseiracementita + perlita grosseira* * A pelita grosseira é ideal para melhorar a usinabilidade dos aços baixo e médio carbono

* Para melhorar a usinabilidade dos aços alto carbono recomenda-se a esferoidização

Ferrite (white) and pearlite in a hot-rolled Fe – 0.2% C binary alloy. Picral etch.

Magnification bar is 20 µm in length.

Ferrite (white) and pearlite in a hot-rolled Fe – 0.4% C binary alloy. Picral etch.

Magnification bar is 20 µm in length.

Ferrite (white) and pearlite in a hot-rolled Fe – 0.6% C binary alloy. Picral etch.

Magnification bar is 20 µm in length.

Coarse lamellar pearlite in a hot-rolled Fe – 0.8% C binary alloy. Picral etch.

Magnification bar is 20 µm in length.

Intergranular proeutectoid cementite and pearlite in a hot-rolled Fe – 1.0% C binary

alloy. Picral etch. Magnification bar is 20 µm in length.

Coarse intergranular proeutectoid cementite (white, outlined) and pearlite in a hot-rolled

Fe – 1.2% C binary alloy. Picral etch. Magnification bar is 20 µm in length.

Esferoidização (Coalescimento)� A esferoidização é um processo normalmente usado

com aços hipereutetóides. Nesses aços, a perlita é envolvida por uma rede de cementita que dificulta trabalhos de usinagem e outros processos de fabricação.

� O tratamento consiste em aquecer, manter por um longo tempo a peça em temperatura um pouco abaixo da formação da austenita e resfriar (exemplo: abcd da Figura). Também é possível alternar temperaturas da formação da austenita e resfriar (exemplo: abcd da Figura). Também é possível alternar temperaturas abaixo e acima, como ab123d da figura.

ESFEROIDIZAÇÃO OU ESFEROIDIZAÇÃO OU COALESCIMENTOCOALESCIMENTO

Objetivo:Produção de uma estrutura globular ou esferoidal de carbonetos no açocarbonetos no aço

� melhora a usinabilidade, especialmente dos aços alto carbono� facilita a deformação a frio

Spheroidize annealed microstructure of type W1 carbon tool steel (Fe - 1.05% C –

0.25% Mn – 0.2% Si) etched with Beraha’s sodium molybdate reagent which colored

both the cementite particles (brownish red) and the ferrite matrix. Original at 1000X.

Normalização• O aço é aquecido até a temperatura de austenitização

e resfriado ao ar.• Objetivos: refinar o tamanho de grão (normalizar),

aumentar a resistência mecânica do aço (em relação ao aço recozido) e reduzir segregações resultantes de vazamento ou forjamento, de modo a obter uma estrutura mais uniforme.

NORMALIZAÇÃO� TemperaturaHipoeutetóide e eutetóide� 30o C acima do recozimento

plenoHipereutetóide� 50o C acima do limite superior da zona

críticacrítica

*Não há formação de um invólucro de carbonetos frágeis devido a velocidade de refriamento ser maior

� ResfriamentoAo ar (calmo ou forçado)

NORMALIZAÇÃONORMALIZAÇÃO�� Constituintes Estruturais Constituintes Estruturais resultantesresultantes

HipoeutetóideHipoeutetóide�� ferrita + perlita finaferrita + perlita finaHipoeutetóideHipoeutetóide ferrita + perlita finaferrita + perlita finaEutetóide Eutetóide �� perlita finaperlita finaHipereutetóideHipereutetóide�� cementita + perlita fina cementita + perlita fina

* Em relação ao recozimento a microestrutura é * Em relação ao recozimento a microestrutura é mais fina, apresenta menor quantidade e melhor mais fina, apresenta menor quantidade e melhor distribuição de carbonetosdistribuição de carbonetos

As-Rolled 1040 Carbon steel (Fe – 0.4% C – 0.75% Mn) etched sequentially with 4%

picral and 2% nital revealing a fine structure of approximately half ferrite and half pearlite.

Originals at 200X (left) and 500X (right). The fine grain size is due to proper control of the

finishing temperature (temperature of bars at the last mill stand).

Normalized (871 °C, 1600 °F for 1 hour, air cool) 1040 carbon steel (Fe – 0.4% C –

0.75% Mn) etched sequentially with 4% picral and 2% nital revealing a fine structure of

approximately half ferrite and half pearlite. Originals at 200X (left) and 500X (right). The

structure is slightly finer than the as-rolled structure.

Microstructure of hot-rolled eutectoid Fe – 0.80% C – 0.21% Mn – 0.22% Si

revealing a pearlitic structure where some of the lamellae are resolvable at the

original magnification of 1000X. Etched with 2% nital.

Fine pearlitic structure in normalized (780 °C, 1436 °F – 1 h, air cool) 1080 steel (Fe

– 0.8% C – 0.75% Mn) etched with 4% picral. Some of the lamellae are resolvable.

Original at 1000X.

(a) Dureza em função da concentração de carbono nos aços com perlita fina e grosseira, e esferoidita. (b) Ductilidade em função da concentração de carbono para aços carbono com microestrura de perlita fina e grosseira, e esferoidita

γγγγ + Fe3C

γγγγ

αααα + Fe3C

Recristalização

αααα + γγγγ

γγγγ + Fe3C

TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS

As condições de equilíbrio caracterizadas pelo diagrama de fases ocorrem apenas quando o resfriamento é dado em taxas extremamente lentas, o que para fins práticos é inviável.

Um resfriamento fora do equilíbrio pode ocasionar:• Ocorrências de fases ou transformações em

temperaturas diferentes daquela prevista no diagrama

• Existência a temperatura ambiente de fases que não aparecem no diagrama

CURVAS TTT

• As curvas TTT estabelecem relações entre a temperatura em que ocorre a transformação da austenita e a estrutura e propriedades das fases estrutura e propriedades das fases produzidas com o tempo.

• As transformações se processam à temperatura constante

CURVAS TTT

iníciofinal

iníciofinal

TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS

Diagrama de Transformação Isotérmica para uma liga Fe-C de composição Eutetóide

• A transformação de austenita em perlita ocorre apenas se a liga for perlita ocorre apenas se a liga for super resfriada até abaixo da temperatura do eutetóide

• À esquerda da curva do início de transformação apenas austenita estará presente, enquanto que a direita da curva do término de transformação apenas existirá perlita. Entre as duas curvas ambos estão presentes

TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS

• A transformação isotérmica realizada a temperaturas imediatamente

abaixo da

temperatura do

eutetóide produz uma perlita grosseira , enquanto que uma transformação a uma temperatura em torno

de 540o C produz perlita fina

TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C

TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C

TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C

PERLITA FINA E GROSSEIRA

• Fotomicrografias de (a) perlita grosseira (b) perlita fina

• À temperatura em torno • À temperatura em torno de 540°C é produzido uma perlita mais fina, pois com a diminuição da temperatura, a taxa de difusão do carbono diminui, e as camadas se tornam progressivamente mais finas

BAINITA• À medida que a temperatura

de transformação é reduzida após a formação de perlita fina, um novo microconstituinte é formado: a bainita

• Como ocorre na perlita (lamelas) a microestrutura da bainita consiste nas fases

Perlita

da bainita consiste nas fases ferrita e cementita, mas os arranjos são diferentes (agulhas ou placas de cementita bem mais fina !)

• No diagrama de transformação isotérmica a bainita se forma abaixo do “joelho” enquanto a perlita se forma acima

Bainita

BAINITA• Para temperaturas entre 300°C e

540°C a bainita se forma como uma série de agulhas de ferrita separadas por partículas alongadas de cementita (bainitasuperior)

• Para temperaturas entre 200°C e 300°C a ferrita encontra-se em 300°C a ferrita encontra-se em placas e partículas finas de cementita se formam no interior dessas placas (bainita inferior)

• A fotomicrografia (a) apresenta uma estrutura bainítica superior com finíssimas agulhas de ferrita e (b) apresenta uma estrutura bainítica infeior com partículas de cementita formadas no interior das placas de ferrita

Grão bainítico

TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C

Bainita superior

TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C

Bainita inferior

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 conseqüência disso,

AUSTENITA

Como conseqüência disso, ocorre a transformação polimórfica mostrada ao lado.

- Como a martensita não envolve difusão, a sua formação ocorre instantaneamente (independente do tempo).

MARTENSITA

TRANSFORMAÇÃO ALOTRÓPICA COM

AUMENTO DE VOLUME, que leva à concentração de tensões

MARTENSITA• Sendo uma fase fora de equilíbrio, a martensita não

aparece no diagrama de fases ferro – carbeto de ferro

• É uma solução sólida supersatura de carbono (não se forma por difusão), todo o carbono permanece intersticial, podendo transformar-se em outras intersticial, podendo transformar-se em outras estruturas por difusão quando aquecida

• É dura e frágil, por isso é sempre necessário um tratamento de revenimento após a formação de martensita

• Duas microestruturas são encontradas; em ripas e lenticular

Temperatura e Morfologias de Transformação Martensítica

CURVA TTT PARA AÇO EUTETÓIDE• O início da transformação

martensítica está representado por uma linha horizontal designada por M(start).Duas outras linhas horizontais e tracejadas representadas por M(50%) e M(90%) indicam os M(90%) indicam os percentuais da transformação de austenita em martensita

• As temperaturas nas quais estão localizadas variam de acordo com o material, mas são relativamente baixas, pois a difusão de carbono deve ser inexistente

TRANSFORMAÇÃO ISOTÉRMICA DE LIGA FE-C

RESFRIAMENTO CONTÍNUO• A maioria dos tratamentos

térmicos para os aços envolve o resfriamento contínuo de uma amostra até a temperatura ambiente

• Um diagrama de transformação isotérmica só é válido para temperatura constante e tal temperatura constante e tal diagrama deve ser modificado para transformaçõs com mudanças constantes de temperaturas

• No resfriamento contínuo o tempo exigido para que uma reação tenha seu início e o seu término é retardado e as curvas são deslocadas para tempos mais longos e temperaturas menores

RESFRIAMENTO CONTÍNUO

• A transformação tem início após um período de tempo que corresponde à intersecção da curva de resfriamento com a curva de início da reação, e termina com o cruzamento da curva com o término da transformaçãoda transformação

• Normalmente, não irá se formar bainita para aços ferro-carbono resfriados continuamente, pois toda a austenita se transformará em perlita

• Para qualquer curva de resfriamento que passe por AB a austenita não reagida transforma-se em martensita

RESFRIAMENTO CONTÍNUO

• Para o resfriamento contínuo de uma liga de aço existe uma taxa de têmpera crítica que representa a taxa mínima de têmpera para se produzir uma estrutura totalmente martensíticamartensítica

• Para taxas de resfriamento superiores à crítica existirá apenas martensita. Além disso existirá uma faixa de taxas em que perlita e martensita são produzidos e finalmente uma estrutura totalmente perlítica se desenvolve para baixas taxas de resfriamento

RESFRIAMENTO CONTÍNUO

A (FORNO)= Perlita grossaB (AR)= Perlita + fina (+

dura que a anterior)dura que a anterior)C(AR SOPRADO)= Perlita +

fina que a anteriorD (ÓLEO)= Perlita +

martensitaE (ÁGUA)= Martensita

Revenimento

• Tratamento térmico realizado em baixa temperatura (abaixo da T eutetóide), usado para reduzir a usado para reduzir a dureza da martensita, permitindo que ela se decomponha em fases de equilíbrio.

Alterações na microestrutura da martensita após o revenido

• A martensita é uma estrutura metaestável e se decompõe com o reaquecimento através de processos de difusão.

• Onde a martensita TCC monofásica, que está supersaturada em carbono se transforma em martensita revenida, composta por ferrita e cementita

• A microestrutura da martensita revenida consiste em partículas de cementita extremamente pequenas e uniformemente distribuídas

MARTENSITA REVENIDA• No estado temperado, a martensita, além de

ser mais dura, é tão frágil que não pode ser utilizada para a maioria das aplicações

• As tensões internas que possam ter sido introduzidas durante a têmpera tem um efeito de enfraquecimento

• A ductilidade e a tenacidade podem ser aprimoradas e as tensões internas aprimoradas e as tensões internas aliviadas através um tratamento de revenimento

• O revenido é conseguido através do aquecimento de um aço martensítico até uma temperatura abaixo do eutetóide durante um intervalo de tempo específico

• Esse tratamento, permite através de processos de difusão do carbono a formação de martensita revenida ( = Ferrita + Cementita Fe3C !)

RESUMO DAS TRANSFORMAÇÕES

AUSTENITA

PerlitaBainita Martensita

Resf. lentoResf. moderado

Resf. Rápido

(Têmpera)

Perlita

(∝ + Fe3C) + a fase

próeutetóide

Bainita

(∝ + Fe3C)

Martensita

(fase tetragonal)

Martensita Revenida

(∝ + Fe3C)

Ferrita ou cementita

reaquecimento

PROPRIEDADES MECÂNICAS• A cementita é mais dura, porém

mais frágil do que a ferrita.Dessa forma aumentando a fração de Fe3C irá resultar em um material mais duro e mais resistente.

• A espessura da camada de cada fase também influencia. A perlita fina é mais dura e mais resistente fina é mais dura e mais resistente que a perlita grosseira.A perlita fina possui maior restrição ao movimento de discordâncias e um maior reforço de cementita na perlita, devido à maior área de contornos de fases

• Na esferoidita existe uma menor área de contornos e menor restrição de discordâncias, portanto é menos dura e menos resistente

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Uma vez que a cementita é mais frágil, o aumento do seu teor resultará em uma diminuição de ductilidade

• A perlita grosseira é mais dúctil que a perlita fina, pois existe uma que a perlita fina, pois existe uma maior restrição à deformação plástica na perlita fina

• A esferoidita é extremamente dúctil, muito mais do que a perlita fina e perlita grosseira. Além disso são extremamente tenazes, pois qualquer trinca encontra uma pequena de partículas frágeis de cementita

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• A martensita é mais dura, mais resistente e mais frágil. A sua dureza depende do teor de carbono para aços com até aproximadamente 0,6% de C

• Essas propriedades são atribuídas aos átomos de carbono intersticiais que restringem o movimento de discordâncias

• A martensita revenida possui partículas de cementita extremamente pequenas, o que lhe dá uma melhor ductilidade e tenacidade

A diminuição da dureza com o aumento da temperatura é devida essencialmente à difusão dos átomos de carbono dos seus locais intersticiais (com tensões elevadas) para formarem precipitados de uma segunda fase – o carboneto de ferro. Ou seja aumentando a temperatura se acelera a difusão, a taxa de crescimento da cementita aumenta e consequentemente a taxa de amolecimento.

Efeito da Temperatura de Revenido

Propriedades Mecânicas do Revenido

� Aços com determinadas porcentagens de carbono e elementos de liga podem apresentar após a têmpera uma austenita residual que não se transformou

� No tratamento de revenido a austenita retida se transforma em outros constituintes, apresentando assim um aumento significativo de dureza (dureza secundária)

� No caso da liga representada pela curva 1 esse aumento de dureza ocorre entre 350o C e 550o C

� As curvas 2 e 3 representam a mesma liga e pode-se observar que quanto maior a temperatura de austenitização, maior o aumento de dureza por apresentar mais austenita retida

de dureza (dureza secundária)