11-Nov-14
ME111 – Materiais de Construção Construção Mecânica M ecânica Transformações fora do equilíbrio
Prof. Dr. Tiago Felipe de Abreu Santos Departamento de Engenharia Mecânica/CTG
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Mecanismos de aumento de resistência mecânica •
•
Refino de tamanho de grão; Aumento de resistência resistência mecânica pela formação de solução sólida;
•
Encruamento;
•
Endurecimento por dispersão, precipitação
•
Tratamentos termomecânicos
•
Transformações de fases desenvolvimento de Transformações microestruturas bifásicas para ligas ferro-carbono (tratamentos térmicos) reações fora do equilíbrio
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Diagrama Fe-Fe3C e Eutetoíde
0.76 0.76
Cúbica de Corpo Centrado: CCC
Átomos por célula unitária:
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CCC
Cúbica de Face Centrada: CFC
Átomos por célula unitária:
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CFC
Hexagonal Compacta: HC
Átomos por célula unitária: 3 cubos = 2 x 3 = 6 átomos por célula
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Fator de empacotamento atômico (FEA) CFC: 0,74
FEA
V esferas
CCC: 0,68
V célula _ unitária HC: 0,74
Aços de composição hipereutetóide
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Aços de composição hipoeutetóide
α
Perlita
Microestruturas
F
P F
M
Imagem de Microscopia Óptica do aço microligado com Nb austenitizado à 1000ºC, por 30mim, e temperado à (a) 498ºC e (b) 720ºC. F (ferrita), P (perlita), M (martensita).
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Microestruturas
Aços de composição eutetóide
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Austenita
Imagem de microscopia ópitca de aço inoxidável austenítico do tipo ABNT 304 contendo maclas de recozimento.
Fração volumétrica em função do tempo
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. l o v P o ã ç a r F
Austenita estável
Tempo (s) Temperatura eutetóide
Austenita instável
700 Perlita Curva 50% transformada
600
Curva de conclusão (100% perlita)
500
Curvas TTT
Curva de início (0% perlita)
400
10
1
102 103 Tempo (s)
104
Alta temperatura (Austenita estável) Temperatura eutetóide
727ºC ) 700 C º ( a r u t a r 600 e p m e T
500
Perlita grosseira α
Fe3C
Perlita fina
Transformação perlita (P) 1
10
102
103
104
105
Tempo (s)
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Formação da Bainita
Cementita globulizada (esferoidizada)
Fe3C
α
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Formação da Martensita
Martensita
Imagem de Microscopia Óptica do aço microligado com Nb austenitizado à 1000ºC, por 30min, e temperado em seguida. Estrutura martensítica.
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(a) Resfriamento rápido até 350ºC, mantém esta temperatura por 104s, e em seguida, resfriamento rápido até temperatura ambiente
(b) Resfriamento rápido até 250ºC, mantém esta temperatura por 100s, e em seguida, resfriamento rápido até temperatura ambiente
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(c) Resfriamento rápido até 650ºC, mantém esta temperatura por 20s, e em seguida, resfriamento rápido até 400ºC, mantém essa temperatura por 103s, e em seguida, resfriamento rápido até a temperatura ambiente.
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Transformação por Resfriamento Contínuo
Diagrama TRC Transf. Resf. Contínuo Transf. isotérmica Taxa de resf. alta Taxa de resf. moderada Taxa de resf. baixa
Para o resfriamento contínuo a curva TTT se desloca para baixo (temperaturas menores) e para a direita (tempos maiores) no diagrama.
Diagrama TRC
Curvas de resfriamento para a formação de 100% de martensita TRC = Taxa de Resfriamento Crítico. Taxa mínima a qual formará somente martensita
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Comportamento mecânico das fases Fe3C
Mais dura Porém frágil
Material mais duro e resistente Menor ductilidade e tenacidade Ex: aços perlíticos
Resistência da Perlita Fina > resistência da perlita grosseira
Lamelas de α-Fe3C
promove mais reforço da matriz
ferrítica
Microestruturas de Fe3C globulizada possui menor resistência que a perlita, efeito de endurecimento por fibras (concreto armado) é mais eficaz que particulado (concreto).
Comportamento mecânico das fases Aços bainíticos possuem maior resistência que os aços perlíticos Ferrita acicular Maior área interfacial por unidade de volume Ainda sim, possuem boa relação resistência - ductilidade
Bainita
Martensita
Ferrita
A mais dura, resistente e frágil das fases no aço Depende do teor de carbono aumenta a tetragonalidade da estrutura;
A mais macia, tenaz e dúctil das fases no aço
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Têmpera •
Alta taxa de resfriamento
•
Praticamente não há difusão
•
Há a formação de martensita em aços;
•
Superfície esfria mais rapidamente que o centro da amostra tensões, trincas. –
Tamanho de amostra
–
Taxa de resfriamento
–
Banho de têmpera
Trat. Térmicos: Têmpera Mais importante tratamento térmico
Aumento nas proprieades mecânicas e dureza (perda de ductilidade e tenacidade)
Forma de Realizar • •
Aquecimento acima da temperatura de austenitização Resfriamento rápido
Variáveis Importantes Temperatura de Austenitização Carbono e Elementos de Liga Velocidade de Resfriamento (mais crítico neste processo)
Varia de material para material Pelo menos parte dos carbonetos formados devem ser dissolvidos Formar martensita (trincas, empenamento, homogêneo)
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Revenimento •
•
•
Aquecimento de um aço martensítico até uma temperatura abaixo da temperatura eutetoíde (250 a 650ºC) durante um intervalo específico. Microestrutura semelhante a cementita esferoidizada; A martensita revenida pode ser quase tão dura e resistente quanto a martensita, porém com uma dutilidade e tenacidade melhoradas.
Revenimento Têmpera (impossibilita a utilização do material)
baixa ductilidade e tenacidade após tratamento
Forma de Realizar •
Aquecimento entre 250ºC e 650ºC Tempo necessário para recuperar parte da ductilidade e tenacidade Resfriamento até a temperatura ambiente
• •
Conseqüências perda da resistência mecânica e dureza, variando com a temperatura e o tempode revenido quanto maiores, maior o ganho de ductilidade e tenacidade e maior a perda das propriedades mecânicas e dureza •
•
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Austenita
Resfriamento Resfriamento Lento Moderado Perlita (α + Fe3C) + uma fase pro-eutetóide
Recozimento
Bainita (α + Fe3C) Normalização
Têmpera rápida
Martensita (fase TCC) Têmpera Reaquecimento Martensita revenida (α+Fe3C)
Revenimento
Dureza em função do tempo de revenido para um aço carbono 1080 com composição eutetoíde que foi temperado em água.
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Dureza como função da concentração de carbono para um aço carbono martensítico comum, um aço martensítico revenido a 371ºC e um aço perlítico.
Diagrama TTT para aço hipoeutetoíde 1. Um aço 1050 (ferro com 0,5%C) é rapidamente resfriado para 330ºC, mantido por 10 minutos nesta temperatura e depois resfriado para a temperatura ambiente. Qual é a microestrutura resultante? Qual é o nome desse tratamento térmico?
Austenita
Perlita Grosseira Perlita Fina Bainita
R: Microestrutura: 100% Bainita. Trat. Térmico: Austêmpera Martensita
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2. (a) Um aço eutetoíde é (i) resfriado instantaneamente para 500ºC, (ii) mantido por 5 segundos, (iii) resfriado instantaneamente para temperatura ambiente, (iv) reaquecido para 300ºC por 1 hora e (v) resfriado para a temperatura ambiente. Qual é a microestrutura final?
Diagrama TTT para aço eutetoíde
(i)
(ii)
R: Mantido 5s a 500ºC, inicia a formação da perlita fina. Com o resfriamento até a temperatura ambiente, a austenita que restou se transforma em martensita (iii). Com o reaquecimento até 300ºC por 1h a martensita sofre revenimento.
(iii) Martensita
Microestrutura final:
Perlita Fina + Martensita revenida
Diagrama TTT para aço hipereutetoíde 2. (b) Um aço carbono com 1,13%C recebe exatamente o mesmo tratamento térmico descrito na parte (a). Qual é a microestrutura resultante nesse caso?
(i)
Perlita Grosseira R: Mantido 5s a 500ºC, praticamente toda austenita se transforma para perlita fina.
Perlita Fina
(ii)
Microestrutura final:
Perlita Fina
Bainita (iii) Martensita
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Diagrama TTT para aço hipereutetoíde 3. (a) um aço carbono com 1,13%C recebe o seguinte tratamento térmico: (i) resfriado instantaneamente para 200ºC, (ii) mantido por 1 dia a essa temperatura e (iii) resfriado lentamente para temperatura ambiente. Qual é a microestrutura resultante?
Perlita Grosseira
(i)
Perlita Fina R: Como 200ºC é acima de Ms (início de formação de martensita), toda a austenita se transforma em bainita.
Bainita (ii)
Microestrutura final:
(iii)
Martensita 100% Bainita
Diagrama TTT para aço hipoeutetoíde 3. (b) Que microestrutura seria resultante se um aço carbono 0,5%C recebesse exatamente o mesmo tratamento térmico? R: Abaixo da Ms, toda austenita se transforma em martensita(*).
Austenita
(i)
Perlita Fina
Microestrutura Final:
Bainita
Quase 100% de Martensita (*) A formação completa da martensita depende da temperabilidade do aço. Aços hipoeutetoídes possuem menor temperabilidade, portanto, na prática, não se formará 100% de martensita.
Perlita Grosseira
(ii) Martensita
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Diagrama TTT para aço eutetoíde
4. Três aços eutetoídes diferentes recebem os seguintes tratamentos térmicos: (a) resfriados instantaneamente para 600ºC, mantidos por 2 minutos, depois resfriados para temperatura ambiente;
(i)
Perlita Grosseira (ii)
R: Mantido em 600ºC por 2 min, toda a austenita se transforma em perlita grosseira (Recozimento).
Perlita Fina
Bainita
(iii)
Martensita
Diagrama TTT para aço eutetoíde
4. Três aços eutetoídes diferentes recebem os seguintes tratamentos térmicos: (b) resfriados instantaneamente para 400ºC, mantidos por 2 minutos, depois resfriados para temperatura ambiente. R: Mantido em 400ºC por 2 min, grande parte da austenita se transforma em bainita e o restante em martensita. (Parecido com uma austêmpera)
(i)
Perlita Grosseira (ii)
Perlita Fina
Bainita
(iii)
Martensita
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4. Três aços eutetoídes diferentes recebem os seguintes tratamentos térmicos: c) resfriados instantaneamente para 100ºC, mantidos por 2 minutos, depois resfriados para temperatura ambiente.
Diagrama TTT para aço eutetoíde
(i)
Perlita Grosseira
R: Mantido em 100ºC por 2 min, toda austenita se transforma em martensita (têmpera)
Perlita Fina
Ordem decrescente de dureza: - amostra temperada; - amostra de autêmpera; - amostra recozida. -Martensita é a fase mais dura, portanto, produzirá um aço de maior dureza. Depois da martensita a combinação bainita e martensita geram maior dureza e, por último, com menor dureza, se tem a ferrita e perlita grosseira do recozimento (fases mais macias).
Bainita
(ii)
(iii)
Martensita
6. Explique sucintamente por que a perlita fina é mais dura e mais resistente do que a perlita grosseira, que por sua vez é mais dura e mais resistente do que a cementita globulizada. R: A fase de reforço da perlita é a cementita, quanto mais denso e quanto menor o espaçamento entre lamelas de cementita mais resistente será a perlita. Como a perlita fina tem menor espaçamento entre lamelas e uma maior quantidade de cementita do que a perlita grosseira que, por sua vez, tem mais que a cementita esferoidizada, a ordem de resistência será perlita fina, perlita grosseira e cementita. Extrapolando o raciocíno, temos que a normalização, que gera perlita fina(*1) , produz aços com maior resistência mecânica que o recozimento, que gera a perlita grosseira(*2), que por sua vez, tem maior resistência mecânica do que aços esferoidizados (cementita esferoidizada). (*1) Para aços eutetoídes, a normalização produz somente a perlita fina. Para aços hipo e hipereutetoídes existe ainda uma fase proeutetoíde, ferrita e cementita, respectivamente. O mesmo raciocínio vale para o recozimento e esferoidização.
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7. a) Cite os três fatores que influenciam o grau segundo o qual a martensita é formada ao longo de toda a seção reta em uma amostra de aço. (b) Para cada fator, diga como a extensão da formação de martensita pode ser aumentada. (a) 1. Tamanho de amostra 2. Taxa de resfriamento 3. Banho de têmpera (b) 1. Quanto menor a amostra mais martensita se formará ao longo do corpo de prova. 2. Quanto maior a taxa de resfriamento mais martensita se formará. 3. Quanto menor a temperatura do banho mais martensita se formará.
8. Descreva as microestruturas típicas formadas durante os tratamentos térmicos de recozimento e normalização para aços hipoeutetoídes, eutetoídes e hipereutetoídes. Justifique com base na microestrutura porque a normalização gera uma peça com maior resistência mecânica do que o recozimento. R: Aços hipoeutetoídes: Normalização Ferrita proeutetoíde + perlita fina; Recozimento Ferrita proeutetoíde + perlita grosseira. Aços eutetoídes: Normalização Perlita fina Recozimento Perlita grosseira Aços hipereutetoídes: Normalização Cementita proeutetoíde + perlita fina Recozimento Cementita proeutetoíde + perlita grosseira A normalização gera a perlita fina, que é uma fase mais resistente do que a perlita grosseira, produto do recozimento. Portanto, a normalização gera um aço com melhor resistência mecânica do que no recozimento. Ressaltando que a maior resistência da perlita fina se deve ao menor espaçamento da fase de reforço (cementita) e maior densidade.
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9. Um aço ao ser submetido à têmpera forma trincas devido à diferença de resfriamento da superfície para o centro. Quais opções de tratamento existem que permitem que ainda se tenha uma alta dureza? Qual desses tratamentos é mais viável economicamente? Por quê? Autêmpera e Martêmpera. A austêmpera é um processo mais econômico pois não necessita de uma etapa final de revenimento. 10. Quando se quer reduzir as propriedades mecânicas (dureza) e aumentar a ductilidade, para promover uma etapa de usinagem, quais tratamentos térmicos são aconselhados? Qual seria o mais eficaz em reduzir as propriedades mecânicas (dureza) e aumentar a ductilidade? Recozimento, Normalização e Esferoidização. O mais eficaz em aumentar a ductilidade é a esferoidização.
11. Classifique em função do comportamento mecânico (dureza) as fases e constituintes que aparecem no aço. (b) Com base na parte (a), classifiquem, em ordem decrescente de dureza alcançada, os tratamentos térmicos que produzem estas fases e constituintes.
Martensita Martensita revenida Bainita Perlita Fina Perlita Grosseira Cementita esferoidizada Ferrita
Têmpera Têmpera e revenimento e/ou martêmpera Austêmpera Normalização Recozimento Esferoidização
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Bibliografia •
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Shackelford, J., Ciência dos Materiais, 6ª ed., SP: Pearson Ed. do Brasil, 2008. Callister, W.D. Int. Ciência Eng. Mat., 5ª ed., RJ: LTC, 2002. Cardoso, A.V., Laboratório de Material Didático Multimídia CETEC-MG, www.cienciadosmateriais.org
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