FBTS - InspEquip - Metalurgia_070908

Curso de Inspetor de Equipamentos Metalurgia Fabio Alves – Eng. Metalúrgico

1

Curso de Inspetor de Equipamentos - Metalurgia

SUMÁRIO 1. Introdução à metalurgia; 2. Sistemas cristalinos; 3. Ligas metálicas; 4. Difusão; 5. Nucleação e crescimento; 6. Defeitos cristalinos; 7. Diagramas de fase; 8. Curvas de resfriamento; 9. Propriedades mecânica; 10.Tratamentos térmicos; 11.Mecanismos de endurecimento.

2

CONCEITOS BÁSICOS

3

INTRODUÇÃO O que é Metalurgia? Por que o inspetor de equipamento deve conhecer os princípios básicos de metalurgia?

Metalurgia

designa

um

conjunto

de

procedimentos e técnicas para extração, fabricação, fundição e tratamento dos metais e suas ligas. (fonte: wikipédia)

Inspetor de Equipamentos - Metalurgia

4 Elaborado por Eng Fabio Alves

INTRODUÇÃO Alguns exemplos de aplicação da metalurgia ...



INTRODUÇÃO Do que os materiais são constituídos? átomos Como são organizados? Como estão interligados?

As ligações químicas são uniões estabelecidas entre átomos para formarem as moléculas, que constituem a estrutura básica de uma substância ou composto.



INTRODUÇÃO LIGAÇÕES QUÍMICAS Podem ser classificadas como: ¾ Ligações Primárias: interações fortes, intramoleculares (covalente, iônica, metálica) ¾ Ligações Secundárias: interações fracas, intermoleculares (dipolos transitórios e permanentes - Van der Waals, pontes de hidrogênio)



INTRODUÇÃO LIGAÇÃO IÔNICA A ligação iônica é estabelecida entre um cátion (elemento que cede elétrons com facilidade) e um anion (elemento com grande afinidade pelos elétrons). Estabelecida entre elementos situados em lados opostos da tabela periódica – eletronegativos – aceitam elétrons, tornando-se íons - eletropositivos – doam elétrons, tornando-se cátions. Somente é possível entre átomos de elementos diferentes. As substâncias formadas por ligação iônica apresentam normalmente alta dureza, boa clivagem, alto ponto de fusão e baixo coeficiente de expansão térmica. No estado líquido conduzem corrente elétrica pela movimentação dos íons



INTRODUÇÃO LIGAÇÃO IÔNICA



INTRODUÇÃO LIGAÇÃO COVALENTE Os materiais com enlace covalente compartilham elétrons entre dois o mais átomos. São ligações muito fortes e apresentam baixa condutividade térmica e elétrica, pois para seja possível o movimento de um elétron (transporte de corrente) é necessário a ruptura do enlace covalente, o que requer de altas temperaturas e voltagens. Ex.: Diamante, Carbeto de Silício (SiC), Nitreto de Boro (BN). O

Si Si

Si Si

Si Si

Si

O

Si

O

Si

O SiO2



INTRODUÇÃO LIGAÇÃO METÁLICA Os elementos metálicos possuem átomos mais eletropositivos, os quais doam o cedem seus elétrons de valencia para formar uma “nuvem” de elétrons que rodeia esses átomos.

Os corpos centrais (Carga +) ficam enlaçados mediante a atração mutua com os elétrons livres de carga negativa



SISTEMAS CRISTALINOS Os metais no estado sólido apresentam estrutura cristalina, isto é, os átomos que o constituem são dispostos de uma maneira organizada e periódica. Existe, assim, uma disposição típica dos átomos que, se reproduzindo, constitui a estrutura cristalina de um dado metal. Esta disposição típica chama-se célula unitária Nos modelos de estudo da estrutura cristalina dos metais, considerando-se os átomos como esferas, os átomos vibram em torno de suas posições de equilíbrio, definidas pela célula unitária. A vibração dos átomos é função da temperatura e será tanto maior quanto maior for a temperatura do metal. Os principais sistemas cristalinos são: cúbico de corpo centrado (CCC), cúbico de face centrada (CFC) e hexagonal compacto (HC).



SISTEMAS CRISTALINOS

Reticulados espaciais (Rede de Bravais)



SISTEMAS CRISTALINOS Dos podemos

7

sistemas

cristalinos

identificar

14

tipos

diferentes de células unitárias, rias conhecidas com redes de Bravais. Cada

uma

destas

células

unitárias tem certas características que ajudam a diferenciá-las das outras células unitárias. Além

do

mais,

estas

características também auxiliam na definição das propriedades de um material particular.



SISTEMAS CRISTALINOS

Eixo cristalinos e parâmetros lineares e angulares



SISTEMAS CRISTALINOS CÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC) São exemplos de metais com estrutura cúbica de corpo centrado: Fe (temperatura ambiente); Ti (altas temperaturas); Cr; Mo; Nb, V, W (em qualquer temperatura).



SISTEMAS CRISTALINOS CÚBICO DE FACE CENTRADO (CFC) São exemplos de metais com estrutura cúbica de face centrado: Fe (altas temperatura); Ni, Al, Cu, Pb, Au, Ag.

Célula unitária CFC



SISTEMAS CRISTALINOS CÚBICO DE FACE CENTRADO (CFC) Os planos e direções mais compactos de uma dada estrutura cristalina formam os chamados sistemas primários de deslizamento. Estes são os sistemas que serão inicialmente acionados num processo de deformação plástica. Planos supercompactos: 4 (CFC) Planos supercompactos: 0 (CCC)

Célula unitária CFC



SISTEMAS CRISTALINOS HEXAGONAL COMPACTO (HC) São exemplos de metais com estrutura hexagonais compactos: Zn, Sn, Mg.



LIGAS METÁLICAS DEFINIÇÕES “As ligas metálicas são materiais com propriedades metálicas que contêm dois ou mais elementos químicos sendo que pelo menos um deles é metal.” (fonte: wikipédia)

A estrutura cristalina (rede) de um metal puro é, teoricamente, uniforme em todas as direções. Os átomos de outros elementos, sejam impurezas ou elementos de liga, podem acomodar-se na estrutura cristalina de um dado metal formando uma solução sólida.



LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES Chama-se matriz à estrutura cristalina do metal considerado, que é denominado solvente. Os outros elementos, cujos átomos estão na solução sólida, são denominados solutos. Os átomos solutos podem estar em solução sólida substitucional, quando ocupam posições dos átomos da matriz na estrutura cristalina, ou em solução sólida intersticial, quando ocupam interstícios na estrutura cristalina.



LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES SÓLIDAS

Solução Sólida Intersticial

Ex.: C, N, O no aço

Solução Sólida Substitucional

Ex.: Cr, Ni, Mo no aço



LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES SÓLIDAS A distorção na estrutura cristalina, provocada pelos átomos em solução, significa um afastamento dos átomos da sua posição de equilíbrio. Os átomos que se encontram nesta região de distorção possuem, portanto, um nível energético mais elevado que os átomos que constituem as porções perfeitas da rede cristalina. Assim como nas soluções em fase líquida, as soluções sólidas também apresentam um limite de solubilidade, isto é, valores máximos para o teor de soluto na matriz. Na solução sólida intersticial, os átomos do soluto ocupam posições na estrutura cristalina onde há um maior espaço para sua acomodação.



LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES SÓLIDAS Acomodação dos átomos de soluto em soluções sólida. Solução sólida substitucional

Solução sólida intersticial

Campo de Tensões Trativo

Compressivo

Compressivo



LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES SÓLIDAS - INTERSTÍCIO Estrutura CFC

Interstício octaédrico

Interstício tetraédrico

OCTAÉDRICO > TETRAÉDRICO (0,52 angstroms) (0,28 angstroms)



LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES SÓLIDAS - INTERSTÍCIO Estrutura CCC



OCTAÉDRICO < TETRAÉDRICO (0,19 angstroms) (0, 52 angstroms)



LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES SÓLIDAS - INTERSTÍCIO Estrutura HC





LIGAS METÁLICAS SOLUÇÕES SÓLIDAS - INTERSTÍCIO Na estrutura CCC do ferro, o interstício tetraédrico (r = 0,36 A) é maior que o octaédrico (r = 0,19 Â), porém menor que o octaédrico na estrutura CFC (r = 0,52 Â). Portanto, como conseqüência, tem-se que a estrutura CFC tem maior possibilidade que a CCC de dis¬solver átomos de carbono ou nitrogênio em solução intersticial, mesmo sendo uma estrutura mais compacta



LIGAS METÁLICAS



LIGAS METÁLICAS LIGAS METÁLICAS Os átomos de outros elementos, sejam impurezas ou elementos de liga, podem acomodar-se na estrutura cristalina de um dado metal formando uma solução sólida. Chama-se matriz à estrutura cristalina do metal considerado, que é denominado solvente. Os outros elementos, cujos átomos estão na solução sólida, são denominados solutos. Os átomos solutos podem estar em solução sólida substitucional, quando ocupam posições dos átomos da matriz na estrutura cristalina, ou em solução sólida intersticial, quando ocupam interstícios na estrutura cristalina



DIFUSÃO CONCEITOS O que é difusão? É o fenômeno de transporte de material por movimentação atômica. É um fenômeno dependente de temperatura e tempo. O mecanismo de difusão favorece a homogeneização de um material quando aquecido ou causa danos (sensitização de aços inoxidáveis). A força motriz para difusão é a existência de um gradiente de concentração. ¾ A movimentação dos átomos se dá no sentido de equalizar a solução sólida, minimizar o gradiente. ¾



DIFUSÃO CONCEITOS O aumento na temperatura de um metal ou liga metálica no estado sólido, implica em uma maior vibração dos átomos em torno da sua posição de equilíbrio. Esta vibração proporciona a possibilidade de uma movimentação atômica no estado sólido, a que se chama de difusão e esta será tanto maior quanto maior for a temperatura. temperatura



DIFUSÃO MECANISMOS O mecanismo de difusão atômica pode ser: 9 Substitucional - onde um átomo em solução sólida substitucional pula para a lacuna vizinha; 9 Intersticial - onde um átomo em solução sólida intersticial pula de um interstício para outro. Para ocorrer a movimentação atômica são necessárias : 9 Deve haver espaço livre adjacente; 9O

átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações

químicas e causar uma distorção no reticulado cristalino.



DIFUSÃO MECANISMOS Substitucional Ex. Cu-Ni: ( ↑ T) Æ os átomos de Cu difundem para o Ni e vice-versa



DIFUSÃO MECANISMOS Interticial Ex: Átomos de H, O, N, C ( de pequenas dimensões). Ex. Átomos de C no Fe

os átomos de C abrem caminho entre os átomos da

matriz de Fe.

A difusão intersticial é muito mais rápida que a difusão substitucional (por lacunas).



DIFUSÃO LEIS DE FICK A intensidade da difusão é medida pelo fluxo de átomos (J), que é a resultante do número de átomos que cruza através de uma seção com determinada área durante um certo tempo 1ª Lei de Fick: relaciona o fluxo de átomos do metal considerado com o gradiente de concentração deste metal na liga. J = - D (dc/dx),

onde D é o coeficiente de difusão ou difusividade



DIFUSÃO LEIS DE FICK 2ª Lei de Fick: Fick estabelece que a variação da concentração com o tempo, num elemento de volume contendo esta seção é calculada por



DIFUSÃO LEIS DE FICK Interpretação do fenômeno descrito pela 2ª Lei de Fick.

Permite determinar a variação de concentração com o tempo.



DIFUSÃO FATORES QUE AFETAM O COEFICIENTE DE DIFISÃO 1. Temperatura O coeficiente de difusão aumenta exponencialmente com a T, de acordo com a Lei de Arrhenius



DIFUSÃO FATORES QUE AFETAM O COEFICIENTE DE DIFISÃO 2. Contornos de grão A difusão pelos contornos de grão é mais rápida do que pelo interior dos grãos, devido à alta concentração de defeitos cristalinos (lacunas e discordâncias)

3. Líquidos x Sólidos O coeficiente de difusão nos líquidos é algumas ordens de grandeza maior que nos sólidos

4. Átomos substitucionais x intersticiais Os átomos intersticiais difundem mais rapidamente do que os substitucionais



DIFUSÃO Energias de ativação para a autodifusão de alguns metais puros T de fusão (oC)

Estrutura cristalina

Zinco

419

HC

240 – 418

91,6

Alumínio

660

CFC

400 – 610

165

Cobre

1083

CFC

700 – 990

196

Níquel

1452

CFC

900 – 1200

293

Ferro-α

1530

CCC

808 – 884

240

Molibdênio

2600

CCC

2155 – 2540

460

Metal

Energia de T estudadas (oC) Ativação (kJ/mol)



DIFUSÃO APLICAÇÕES



NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS NUCLEAÇÃO No estado líquido os átomos que constituem os metais não se dispõem de forma ordenada, isto é, não possuem estrutura cristalina que, como já foi visto, é uma característica dos metais no estado sólido. Quando um metal no estado líquido, em um processo de resfriamento lento e contínuo, atinge a temperatura de solidificação, algumas partículas sólidas, chamadas de núcleos, começam a se formar.



NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS CONCEITO DE GRÃOS Como a temperatura continua a ser diminuída, os núcleos formados crescem e novos núcleos são formados. O crescimento de cada núcleo individualmente gera partículas sólidas chamadas de grãos.



NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS GRÃOS E OS CONTORNOS DE GRÃOS Todos os grãos têm a mesma estrutura cristalina e o mesmo espaçamento atômico. Nos contornos os átomos não estão ordenados, existindo vazios que permitem mais facilmente a movimentação atômica. Ou seja, geralmente, a difusão ocorre mais rapidamente nos contornos que nos centros dos grão. As impurezas segregam nos contornos de grão, podendo formar fases que alterarão desfavoravelmente as propriedades do material como, por exemplo, a redução de ductilidade ou aumento à susceptibilidade à trinca durante a soldagem ou tratamento térmico.



NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS TAMANHO DE GRÃO Um dos efeitos do tamanho de grão é influenciar na resistência dos materiais. Em baixas temperaturas, quanto menor o tamanho de grão (TG) maior a resistência mecânica. Já em altas temperatura, quanto maior o TG maior a resistência. Por esse motivo, as estruturas dos metais e ligas são freqüentemente classificadas de acordo com o tamanho do grão.

Padrão ASTM para tamanho de grão



NUCLEAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS TAMANHO DE GRÃO O arranjo e o tamanho dos grãos e as fases presentes em uma liga constituem o que se chama de microestrutura que é responsável pelas propriedades físicas e mecânicas da liga. A microestrutura é afetada pela composição química e pelo ciclo térmico imposto à liga.

Microestrutura ferrítica de aços IF (200x)

Microestrutura ferrítico perlítica de aços carbono



DEFEITOS CRISTALINOS FORMAÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINA Quando um metal, ou liga no estado líquido, é resfriado até seu ponto de fusão, inicia-se a solidifica-ção, através da formação de cristais em pontos da massa líquida. A cristalização irá formar estruturas crista-linas que são dependentes do metal ou da composição da liga. Durante o resfriamento do metal no estado líquido dentro de um molde, surgem, em vários locais, núcleos para a solidificação. Os cristais crescem a partir destes núcleos até que começam a se encontrar uns com os outros na fase final da solidificação.. Denomina-se grão cada cristal individual do material. No caso do material policristalino, cada grão encontra-se cercado por vários outros. A superfície de encontro de dois grãos é denominada contorno de grão.



DEFEITOS CRISTALINOS FORMAÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINA

Nucleação da solidificação na superfície do molde

Crescimento dos cristais e maior nucleação na superfície fria da parede do molde.

Nucleação de grãos no interior do líquido Crescimento dos grãos com a perda de calor

Mais grãos podem ser nucleados. Prossegue o crescimento dos grãos devido ao arranjo ordenado de átomos nos cristais.

Todo o líquido foi solidificado. As regiões de encontro dos grãos são os contornos de grão



DEFEITOS CRISTALINOS CLASSIFICAÇÃO DOS DEFEITOS Os defeitos podem ser oriundos do processo de nucleação e crescimento ou provocados pela presença de outros elementos na estrutura. Estes elementos são considerados como impurezas quando estão presentes na estrutura cristalina em conseqüência do processo de fabricação, e elementos de liga quando adicionados com o propósito de se obter propriedades desejadas. Os defeitos podem ser classificados em: 9Defeitos pontuais; 9Defeitos lineares; 9Defeitos de superfície (ou bidimensionais ou planares); 9Defeitos volumétricos.



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS PONTUAIS Os cristais podem apresentar defeitos em pontos isolados de sua estrutura, dando lugar às imperfeições de ponto (defeitos pontuais). Dentre as imperfeições pontuais, as mais importantes são: as vacâncias ou vazios, impurezas (átomos intersticiais e átomos substitucionais), e auto-intersticiais.



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS LINEARES Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua estrutura, dando origem às imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também chamados de discordâncias são defeitos que causam a distorção da rede cristalina em torno de uma linha e caracterizam-se por envolver um plano extra de átomos. Estas

imperfeições podem ser produzidas durante a solidificação, na

deformação plástica de sólidos cristalinos ou ainda como resultado da concentração de vacâncias. Os três principais tipos de defeitos em linha sâo conhecidos como: discordância em cunha, discordância em hélice e discordância mista.



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS LINEARES Discordância em Cunha



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS LINEARES Discordância em Cunha



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS LINEARES Discordância em Hélice



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS LINEARES Discordância em Mista



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS DE SUPERFÍCIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES) Os cristais também apresentam defeitos que se estendem ao longo de sua estrutura, formando superfícies e denominados de defeitos de superfície. Esse tipo de defeito inclui: superfícies livres, contornos de grão, outros contornos (maclas e outras fases presentes) e as falhas de empilhamento. 9 superfícies livres; 9 contornos de grão; 9 outros contornos (maclas e outras fases presentes) ;e 9 as falhas de empilhamento



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS DE SUPERFÍCIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES) Superfícies Livres Apesar de serem consideradas o término da estrutura cristalina, as superfícies externas de um cristal são consideradas defeitos cristalinos, já que o número de vizinhos de um átomo superficial não é o mesmo de um átomo no interior do cristal. Os átomos superficiais possuem vizinhos apenas de um lado, tem maior energia e assim, estão ligados aos átomos internos mais fragilmente



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS DE SUPERFÍCIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES) Contornos de Grão



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS DE SUPERFÍCIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES) Contornos de Grão

Superfícies de contato associadas aos contornos de grão



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS DE SUPERFÍCIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES) Maclas É um tipo especial de contorno de grão. Os átomos de um lado do contorno são imagens especulares dos átomos do outro lado do contorno A macla (“twin”) ocorre num plano definido e numa direção específica, dependendo da estrutura cristalina



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS DE SUPERFÍCIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES) Maclas O seu aparecimento está geralmente associado com: 9 Presença

de

tensões

térmicas

e

mecânicas; 9 Desvio da estequiometria; 9 Presença de impurezas



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS VOLUMÉTRICOS São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente. Alguns exemplos: 9 Inclusões - impurezas estranhas; 9 Precipitados - são aglomerados de partículas cuja composição difere da matriz; 9 Porosidade – origina-se devido a presença ou formação de gases; 9 Fases - forma-se devido à presença de impurezas ou elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é ultrapassado).



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS VOLUMÉTRICOS Inclusões

INCLUSÕES DE ÓXIDO DE COBRE (Cu2O) EM COBRE DE ALTA PUREZA (99,26%) LAMINADO A FRIO E RECOZIDO A 800o C.



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS VOLUMÉTRICOS Pososidade

COMPACTADO DE PÓ DE FERRO,COMPACTAÇÃO UNIAXIAL EM MATRIZ DE DUPLO EFEITO, A 550 MPa



DEFEITOS CRISTALINOS DEFEITOS VOLUMÉTRICOS Partículas de Segunda Fase

A MICROESTRUTURA É COMPOSTA POR VEIOS DE GRAFITA SOBRE UMA MATRIZ PERLÍTICA. CADA GRÃO DE PERLITA, POR SUA VEZ, É CONSTITUÍDO POR LAMELAS ALTERNADAS DE DUAS FASES: FERRITA (OU FERRO-α) E CEMENTITA (OU CARBONETO DE FERRO).



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO

67

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO INTRODUÇÃO Os diagramas de fase, também chamados diagramas de equilíbrio, são representações gráficas das fases presentes em um sistema em função da temperatura, pressão e composição. A maioria dos diagramas de fases são obtidos em condições de equilíbrio e são usados para entender e prever o comportamento dos materiais

Diagrama de fases (pressão-temperatura) da água



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO INTRODUÇÃO Os diagramas de fase utilizados em metalurgia apresentam as fases em equilíbrio a uma dada temperatura e à pressão atmosférica normal. O diagrama de equilíbrio é aplicável quando o resfriamento é lento e contínuo (equilíbrio estável). No entanto, apresenta limitações na previsão de fases obtidas em situações fora da condição de equilíbrio



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO INTRODUÇÃO

Diagrama de equilíbrio para o cobre (puro), indicando as condições (pressão e temperatura), onde este metal se encontra na fase sólida, líquida ou vapor.



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO INTRODUÇÃO A determinação dos diagramas de equilíbrio é feita experimentalmente através dos seguintes métodos: análise térmica, dilatometria, resistência elétrica, metalografia, difração de raios X. Em metais puros a fusão se dá numa temperatura bem definida e em ligas, numa faixa de temperatura onde se distingue o início e o término da fusão. Estes pontos de inflexão são pontos do diagrama de equilíbrio

Substâncias puras

Liga binária



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO SOLUBILIDADE A adição de elementos de liga à um material puro, os átomos deste elemento farão parte da rede cristalina, ocupando posições atômicas ou interstícios. Em outras palavras, esses átomos serão inicialmente dissolvidos, formando uma solução sólida Nas soluções sólidas, os átomos em maior quantidade são chamados de átomos “solvente”, enquanto os átomos “soluto” são aqueles que são dissolvidos. A capacidade de uma dada fase em dissolver um elemento de liga ou impureza tem um limite. Esse limite é chamado de limite de solubilidade. Uma vez excedido este limite, precipita-se uma nova fase, mais rica nos elementos de liga ou impurezas que não foram dissolvidos.



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO SOLUBILIDADE O limite de solubilidade corresponde a concentração máxima que se pode atingir de um soluto dentro de um solvente. O limite de solubilidade depende da temperatura. Em geral, cresce com a temperatura.



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FASES A fase é a porção de matéria fisicamente homogênea e perfeitamente distinguível. Uma fase é identificada pela composição química e microestrutura. A interação de duas ou mais fases em um material permite a obtenção de propriedades diferentes. É possível alterar as propriedades do material alterando a forma e distribuição das fases. O equilíbrio de fases é o reflexo da constância das características das fases com o tempo.



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO FASES Fases de Equilíbrio Suas propriedades ou características não mudam com o tempo. Geralmente, as fases sólidas são representadas nos diagramas por letras gregas.

Fases Metaestáveis Suas propriedades ou características mudam lentamente com o tempo, ou seja, o estado de equilíbrio não é nunca alcançado. No entanto, não há mudanças muito perceptíveis com o tempo na microestrutura das fases metaestáveis.



DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO • isomorfo • eutético • peritético Diagramas de Sistemas Binários

• monotético • eutetóide • peritetóide • sintético • com fases intermediárias

Diagramas de Sistemas Ternários

• Sistemas ternários • pseudobinários



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS CARACTERÍSTICAS Os diagramas de fase binários utilizados no estudo da metalurgia física são construídos, geralmente, para uma pressão de 1 atm, possuem no eixo vertical a temperatura e no horizontal a porcentagem (em peso ou atômica) dos elementos que compõem o sistema binário. Com esses diagramas é possível determinar quais as fases mais estáveis termodinamicamente, para uma dada composição, em uma dada temperatura. É também possível determinar a composição química das fases e a porcentagem relativa das fases.



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS CARACTERÍSTICAS

Esquema ilustrativo dos diversos sistemas representados nos diagramas de fase.



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS Nos sistemas isomorfos, os dois componentes formam uma única solução sólida em qualquer composição. Ou seja, há solubilidade total em qualquer proporção de soluto.

Diagrama Cobre - Níquel.



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS

Interpretação do Diagrama






Fases presentes: Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quais fases estão presentes. Ponto A Æ apenas fase alfa Ponto B Æ fase alfa e fase líquida






Composição de cada fase: Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quantas fases existem. Uma fase Æ composição lida diretamente do gráfico. Duas fases Æ Usa-se o método da linha de conexão (tie-line)





Determinação das frações de cada fase: Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quantas fases existem. Uma fase Æ 100 % da própria fase. Duas fases Æ Regra da Alavanca





Determinação das frações de cada fase: Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se quantas fases existem. Uma fase Æ 100 % da própria fase. Duas fases Æ Regra da Alavanca




Evolução Microestrutural



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS ISOMORFOS Condições de equilíbrio e não equilíbrio

Resfriamento lento (equilíbrio)

Resfriamento fora da condição de equilíbrio



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICO Nos sistemas eutéticos ocorre a reação eutética, onde um líquido se transforma em dois sólidos ou no sentido contrário, no caso da fusão.

Reação eutética: L → (sólido 1 + sólido 2)




DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICO

Eutético: L Æ Solido 1 + Sólido 2



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICO α primária rica em chumbo (regiões globulares escuras)

No interior de uma estrutura eutética lamelar

composta de fase β rica em estanho (regiões claras) e fase α rica em chumbo (regiões escuras).

Micrografia de uma liga de Pb-Sn



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS EUTÉTICO Formas típicas apresentadas por compostos eutéticos

A

C

B

D

Eutéticos típicos: (A) lamelar, Al-Cu (33,2%) x 800; (B) acicular, Al-Si (12,3%) x 500; (C) globular, Cu - Cufi (3,6%) x 500; (D) gráfico, Pb - Bi (56.3%) x 800.




Diagrama Pb-Sn.

fase β - clara (rica Sn)

fase α - escura (rica Pb)

Eutético vem do grego e significa “de fusão mais fácil”




Sistema eutético Pb-Sb e estruturas correspondentes à diversas ligas



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS EUTETÓIDE Reação eutetóide: sólido 1 → (sólido 2 + sólido 3)



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS PERITÉTICO

Reação peritética: L + sólido 1 → sólido 2



DIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁRIOS MONOTÉTICO Reação monotética: L1 → L2 +sólido 1

Dois líquidos imiscíveis formam uma fase sólida e uma fase líquida (MONOTÉTICA)

Ex.: diagrama Bi-Zn e Cu-Pb.



DIAGRAMA DE SISTEMAS TERNÁRIOS DIAGRAMAS TERNÁRIOS Os

sistemas

ternários

possuem

três

componentes,

exigindo

uma

representação tridimensional.

Diagrama ternários



DIAGRAMA DE SISTEMAS TERNÁRIOS DIAGRAMAS TERNÁRIOS O estudo dos sistemas ternários é realizado com maior facilidade empregando-se secções isotérmicas ou secções verticais do diagrama ternário.

Diagrama ternário Cr-Fe- Ni



DIAGRAMA DE SISTEMAS TERNÁRIOS DIAGRAMAS PSEUDOBINÁRIOS

Diagrama Fe-Cr-NI



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C

99

DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C ALOTROPIA OU POLIMORFISMO Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como polimorfismo (alotropia). Alotropia significa "maneira diferente“ (do grego allos, outro, e tropos, maneira - o termo foi criado por Jöns Jacob Berzelius), e na química esta palavra foi empregada para designar a capacidade de um elemento químico gerar outras substâncias simples diferentes. Geralmente as transformações polimorficas são acompanhadas de mudanças na densidade e mudanças de outras propriedades físicas. sicas



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C ALOTROPIA OU POLIMORFISMO O diamante e o grafite são substâncias simples formadas apenas por carbono. A grande diferença entre eles é a maneira como os átomos ficam organizados nas moléculas. O grafite representa a forma mais estável do carbono, já o diamante, só é conseguido com pressões e temperaturas altíssimas. É até possível transformar grafite em diamante em laboratório, mas os gastos seriam muito maiores que os lucros obtidos com o diamante criado. Então, dizemos que o grafite e o diamante são formas alotrópicas do mesmo elemento químico (carbono).

grafite

diamante



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C ALOTROPIA OU POLIMORFISMO

Estrutura atômica do diamante e grafite, respectivamente



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C ALOTROPIA DO FERRO Sob uma pressão de 1 atm o ferro puro apresenta as seguintes mudanças de estado e transformações alotrópicas.



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C ALOTROPIA DO FERRO

104

Variações da estrutura atômica do ferro

Elaborado por Eng Fabio Alves

DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONCEITOS Os diagramas de fase utilizados em Metalurgia apresentam as fases em equilíbrio a uma dada temperatura e à pressão atmosférica normal. O diagrama de equilíbrio é aplicável quando

o

resfriamento

é

lento

e

contínuo (equilíbrio estável). No entanto, apresenta limitações na previsão de fases obtidas em situações fora da condição de equilíbrio. Curvas de Resfriamento

Diagrama de equilíbrio Fe-Fe3C



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONCEITOS O diagrama de equilíbrio Fe-C apresenta a ferrita e a grafita como sendo as fases termodinamicamente mais estáveis na temperatura ambiente. Em termos práticos, no estudo dos aços, a grafitização não ocorre, pois para atingir essa situação de equilíbrio leva-se muito tempo e portanto, é muito freqüente a utilização do diagrama de equilíbrio metaestável onde parte do carbono encontra-se em solução sólida e parte formando carbonetos de ferro. ferro



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONCEITOS

Sistema estável ferro-grafita

Sistema metaestável ferro-carboneto de ferro



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONCEITOS

Diagrama Fe-C como usualmente considerado



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONCEITOS O diagrama de fases Fe-Fe3C (cementita) vem a ser o mais apropriado para o estudo dos aços carbono e baixa liga, pois é na forma de cementita (e, eventualmente, de outros carbonetos) que o carbono se precipita nessas ligas.

Diagrama Fe-C como usualmente considerado



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONCEITOS O diagrama Fe-Fe3C indica, em função da temperatura e da concentração de carbono, carbono quais as fases (líquido, α, λ, δ e Fe3C) que se encontram em equilíbrio. A estrutura cúbica de corpo centrado, embora menos compacta que a estrutura cúbica de face centrada, possui menor capacidade de dissolver o carbono, pois os seus interstícios na rede cristalina são menores. A austenita é capaz de dissolver até 2% de carbono (a 1130OC). As ligas ferro-carbono, com até 2% de carbono, denominam-se aços; os as ligas com valores superiores a 2% denominam-se ferros fundidos. fundidos As microestruturas previstas no diagrama Fe-Fe3C são resultantes de reações que dependem de difusão no estado sólido e, portanto, só poderão ser obtidas por resfriamentos lentos. lentos



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONSTITUINTES Os constituintes podem ser compostos por uma única fase ou pela combinação de várias.

CONSTITUINTES ≠ FASES

A presença do carbono e outros EL alteram a maneira como os atómos estão dispostos.



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONSTITUINTES Ferrita (α) : Solução sólida de carbono em ferro CCC. A solubilidade máxima do carbono é de 0,022% na temperatura eutetóide (727oC).

Na temperatura

ambiente a ferrita consegue dissolver apenas 0,008%C. Possue características Magnéticas.

Austenita (γ) : Solução sólida de carbono no ferro CFC. A solubilidade máxima do carbono é 2,11% na temperatura eutética (1148oC). A austenita dissolve mais carbono do que a ferrita porque a estrutura CFC tem interstícios maiores, apesar de serem em menor número do que na CCC. Possue características não magnéticas.



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONSTITUINTES

Ferrita (α)

Austenita



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONSTITUINTES Ferrita (δ): Solução sólida de carbono no ferro CCC, que ocorre em temperaturas mais elevadas do que a austenita. A solubilidade máxima do carbono é um pouco maior do que na ferrita α (0,09% contra 0,022%) porque ocorre em temperaturas maiores, onde a agitação térmica dos átomos é maior. Cementita (Fe3C): Carboneto de ferro, de estrutura ortorrômbica, muito duro e frágil. De acordo com a estequiometria, o %C em peso da cementita é 6,67%. Sistema ortorrômbico (12 átomos de Fe e 4 de C por célula unitária). É um composto intermetálico metaestável, embora a velocidade de decomposição em ferro α e C seja muito lenta. Adição de Si acelera a decomposição da cementita para formar grafita.

Sistema ortorrômbico



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C CONSTITUINTES Perlita (α + Fe3C): estrutura lamelar de cementita (Fe3C) em matriz ferrítica (áreas claras).

Perlita

Detalhe de um grão de perlita



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Serão observadas como se formam as microestruturas obtidas por resfriamento lento nos três tipos básicos de aço ao carbono: 9 Eutetóide: É a composição que passa pelo ponto eutetoide, ou seja 0,77%C (≈ 0,80%C). 9 Hipoetutetóide: São os aços que possuem carbono abaixo de 0,80% (e acima de 0,02%). 9 Hipereutetóide: São os aços que possuem carbono acima de 0,80% e abaixo de 2%



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL

Ferros Fundidos Aço Hipoeutetóide

Aço Eutetóide

Aço Hipereutetóide



microestruturas obtidas pelo resfriamento lento 2) Hipoeutetóide

1) Eutetóide

3) Hipereutetóide



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Transformação Eutetóide Inicialmente, temos apenas a fase γ. A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, toda a fase γ se transforma em perlita (ferrita+ Fe3C) de acordo com a reação eutetóide. Estas duas fases tem concentrações de carbono muito diferentes. Esta reação é rápida. Não há tempo para haver grande difusão de carbono. As fases se organizam como lamelas alternadas de ferrita e cementita.



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Transformação Eutetóide Líquido (L)

Temperat ura

γ+L

100% γ

γ

γ

100% γ Austenita

γ→ perlita perlita 0,8

Carbono (%)

2

Tempo t

100% perlita



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Transformação Hipoeutetóide Inicialmente, temos apenas a fase γ. Em seguida começa a surgir fase α nos contorno de grão da fase γ. A uma temperatura imediatamente acima da eutética,

a

completamente

fase as

α

já

cresceu,

fronteiras

da

ocupando

fase

γ.

A

concentração da fase α é 0.022 wt% C. A concentração da fase γ é 0.77 wt% C (eutetóide). A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide, toda a fase γ se transforma em perlita (ferrita eutetóide+ Fe3C). A fase α, que não muda e é denominada ferrita pro-eutetóide.



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Transformação Hipoeutetóide L+δ

Líquido (L) 100% γ

γ+L

Temperatur a

γ γ

γ→α γ→ perlita

α+γ α + perlita 0,8 Carbono(%)

2

Tempo t

90% α 10% γ

90% α 10% perlita




Perlita

Ferrita

Microestrutura de aço hipoeutetóide (0,38%C). Aumento: 635X



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Transformação Hipereutetóide Inicialmente, temos apenas a fase γ. Em seguida começa a surgir fase Fe3C nas fronteiras de grão da fase γ. A concentração da Fe3C é constante igual a 6.7wt% C. A concentração da austenita cai com a temperatura seguindo a linha que separa o campo γ+Fe3C

do

campo

γ.

A

uma

temperatura

imediatamente acima da eutetóidea concentração da fase γ é 0.77wt% C (eutétóide). A uma temperatura imediatamente abaixo da eutetóide toda a fase γ se transforma em perlita. A fase Fe3C , que não muda, é denominada cementita pro-eutetóide.



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Transformação Hipereutetóide Líquido (L) 100%

Temperatura

γ+L

γ

γ

γ

90% γ 10% Fe3C

γ→ Fe3C

γ→ perlita perlita + Fe3C 0,8 1

Carbono (%)

2

tempo

90% perlita 10% Fe3C



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Perlita

Cementita

Microestrutura de aço hipereutetoide (1,4%C) resfriado lentamente: colônias de perlita e cementita delineando os contornos da austenita prévia. Aumento: 500X



DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C EVOLUÇÃO MICROESTRUTURAL Hipoeutetóide

Eutética

Hipereutetóide

Resumo das microestruturas obtidas pelo resfriamento lento



CURVAS DE RESFRIAMENTO

128

CURVAS DE RESFRIAMENTO INTRODUÇÃO O diagrama de fase Fe-Fe3C, embora seja de grande utilidade, não fornece informações acerca da transformação da austenita em condições diferentes das condições de equilíbrio. Na realidade existem, como no caso de processos de soldagem conformação mecânica, variações de temperatura em função de tempo pela qual, geralmente, não representam as microestrutura de equilíbrio estudadas. Como prever tais microestruturas?

Utilizando diagramas (curvas de resfriamento) incorporam transformações de fase em função do tempo e da temperatura de processamento



CURVAS DE RESFRIAMENTO INTRODUÇÃO

Diagramas de Resfriamento

diagrama de transformação isotérmica ou diagrama TTT (temperatura – tempo – transformação)

diagrama de resfriamento contínuo ou ciagrama CCT (“continuous cooling transformation)



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) O diagrama de transformação isotérmica (diagrama ITT - “Isothermal Temperature Transformation”) ou diagrama TTT é obtido pelo resfriamento da austenita a temperaturas constantes e sua transformação determinada ao longo do tempo.

Ciclo térmico de austenitização e resfriamento com transformação isotérmica



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) As duas linhas cheias marcam o início

e

final

da

transformação

isotérmica (no exemplo 675ºC). A linha tracejada representa 50% da transformação concluída. A temperatura eutetóide está indicada por uma linha horizontal. Abaixo da temperatura eutetóide a austenita fica instável.



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT)

Curva TTT para aços



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) Em relação a formação da perlita por transformações isotérmicas, é possível a obtenção das perlitas denominadas de perlita grosseira e perlita fina. A espessura das camadas de ferrita e cementita na estrutura lamelar da perlita dependem da temperatura de formação. Em temperaturas imediatamente abaixo da temperatura eutetóide (727 oC) há a produção de camadas relativamente espessas, tanto para a ferrita como para a cementita, numa microestrutura denominada de perlita grosseira. Com a diminuição da temperatura, existe a redução da espessura das camadas, originando a perlita fina.



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) ¾ Ttransf logo abaixo da TE 9 T maiores: difusão é mais rápida 9 Perlita é grosseira.

Perlita Grosseira

¾ Ttransf bem abaixo da TE 9 T menores: difusão é mais lenta 9 Perlita fina

Perlita Fina



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) + grosseira

+ fina

Ttransf ~ TE

Ttransf <
Microestrutura da perlita em função da isoterma mantida: (a) 655ºC, (b) 600ºC, (c) 534ºC e (d) 487ºC. A morfologia da estrutura de 2 fases é a mesma, mas o espaçamento entre elas diminui com o decréscimo da temperatura da isoterma.



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) FATORES DE INFLUÊNCIA 9 Teor de carbono - quanto maior o teor de C, até a percentagem de 0,8%, mais para a direita ficará deslocada a curva TTT. 9 Teor de elementos de liga - quanto maior os teores de elementos de liga, com exceção do Co, mais para a direita ficará deslocada a curva TTT. 9 Tamanho de grão e homogeneização da austenita - quanto maior o tamanho de grão da austenita e quanto mais homogêneo for o grão mais deslocada para a direita ficará a curva TTT.



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) FATORES DE INFLUÊNCIA

0,40%C-1,0%Mn

+ 0,8%Cr

+ 0,8%Cr + 0,3%Mo + 1,8%Ni

Influência da composição química (elementos de liga) Os elementos de liga, via de regra, deslocam as curvas TTT para a direita, ou seja, eles retardam as reações difusionais.



CURVAS TEMPERATURA-TRANSFORMAÇÃO-TEMPO (TTT) FATORES DE INFLUÊNCIA

Amostra A

Amostra B

Influência do tamanho de grão na transformação da austenita

As transformações difusionais, em geral, ocorrem nos contornos de grão. Sendo assim, quanto maior a disponibilidade de contornos de grão maior será o favorecimento de reações difusionais (formação de ferrita, perlita e cementita). Na amostra B (menor TG) a formação de fases difusionais é favorecida, já na amostra A (maior TG) as reações difusionais são menos favorecidas.



CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO (CCT) Um diagrama de transformação isotérmica (curva TTT) é válida apenas para condições de temperatura constante, que deve ser modificada para transformações que ocorrem à medida em que a temperatura é constantemente mudada. No entanto, a maioria das aplicações (tratamentos térmicos, soldagem, fundição) para aços envolvem resfriamento contínuo de uma amostra até à temperatura ambiente. Ou seja, não é mantida uma temperatura constante para as transformações. Para prever as transformações ocorridas nessa situação utiliza-se as curvas CCT (“Continuous Cooling Transformation”). Os fatores que influenciam as curvas CCT são os mesmos das curvas TTT (%C; elemento de liga e tamanho de grão).



CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO (CCT)

Curva CCT do aço 4340 (1.8% Ni, 0.8% Cr, 0.8% Mn, 0.3% Mo e 0.4% C)



CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO (CCT)

9 A (FORNO) = Perlita grossa 9 B (AR) = Perlita + fina (+ dura que a anterior) 9 C (AR SOPRADO) = Perlita + fina que a anterior 9 D (ÓLEO)= Perlita + martensita 9 E (ÁGUA)= Martensita

Curva CCT para um aço eutetóide



CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍNUO (CCT) Curvas de resfriamento para a formação de 100% de martensita.

Curvas de resfriamento para a formação de 100% de perlita.

TRC = Taxa de Resfriamento Crítico



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES Como foi apresentado anteriormente, as microestrutura obtidas de um resfriamento fora das condições de equilíbrio não podem ser previstas pelo diagrama de equilíbrio. Dessa forma, serão apresentadas as microestruturas dos aços em condições de não-equilíbrio. brio As microestruturas mais comuns são: martensita e bainita.



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES BAINITA Descrita como ripas de ferrita com carbonetos entre as ripas ou no interior das mesmas.



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES BAINITA Forma-se entre 200 e 540ºC, sendo a bainita superior entre 300 e 540ºC e a bainita inferior entre 200 e 300ºC. Tanto a superior quanto a inferior são formadas por ferrita, carbonetos e podendo apresentar austenita e martensita, modificando-se apenas seu arranjo na estrutura.



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES BAINITA As forma de agulhas, contendo ferrita e cementita, só podem ser vistas com clareza no microscópio eletrônico.

Microestrutura da (microscopia ótica)

Bainita

contendo

finíssimas

agulhas


das

fases 147


CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES BAINITA

Microestrutura da Bainita (microscopia eletrônica)

contendo

finíssimas

agulhas


das

fases 148


CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES BAINITA SUPERIOR Descrita como ripas de ferrita com carbonetos entre as ripas. Os carbonetos podem ser intermintentes ou contínuos, dependendo do teor de carbono. Com adição de alguns elementos de liga (Mn, Si,...) pode-se ter austenita entre as ripas, o que melhora a tenacidade do material.

Micrografias de bainita superior (550-400°C) no aço eutetóide

149


CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES BAINITA INFERIOR Descrita como lentículas de ferrita com carbonetos no interior da ferrita (com orientação determinada).

Micrografias de bainita inferior (400-250°C) no aço eutetóide



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES MARTENSITA É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão). Fase metaestável (não aparece no diagrama de equilíbrio) , muito dura e frágil, de estrutura tetragonal de corpo centrado (TCC). Apresenta microestrutura em forma de agulhas.

Micrografias de um aço temperado (agulhas de martensita)

Micrografia de martensita (agulhas) e austenita nãotransformada (regiões claras) após resfriamento rápido (têmpera) para o aço ao carbono.



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES MARTENSITA Transformação da γ (CFC) Æ α (CCC).

CCC

CFC

Transformação ocorrida quando há possibilidade de difusão dos átomos para as novas posições na rede cristalina.



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES MARTENSITA Na transformação martensítica, γ (CFC) Æ M (TCC – Tetragonal de Corpo Centrado).

CFC

TCC

O rápido resfriamento não permite a difusão dos átomos intersticiais (carbono, nitrogênio) para outros locais da rede cristalina. De maneira que há uma distorção da estrutura CCC para TCC.



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES MARTENSITA Durante a transformação há uma expansão de 2 a 3% em volume. volume A martensita ocorre entre as temperaturas Mi e Mf. Mf Essas temperaturas diminuem com o teor de elementos de liga em solução sólida na austenita. austenita



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES MARTENSITA Tetragonalidade da martensita: c/a=1+0,046*(%C) Na

martensita

permanece uma

todo

o

carbono

intersticial,

solução

sólida

formando de

Ferro

supersaturada com Carbono, que é capaz

transformar-se

estruturas,

por

em

difusão,

outras quando

aquecida.

c a

a



CURVAS DE RESFRIAMENTO MICROESTRUTURA RESULTANTES RESUMO

AUSTENITA Resf. lento Perlita (α + Fe3C) + fase pró-eutetóide

Resf. moderado

Resf. Rápido (Têmpera)

Bainita

Martensita

(α + Fe3C)

(fase tetragonal) reaquecimento

Pode ser:

Ferrita ou cementita

Martensita Revenida (α + Fe3C)


PROPRIEDADES MECÂNICAS

157

PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS POR QUE ESTUDAR ? A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas

é muito

importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS PRINCIPAIS PROPRIEDADES Resistência à tração Elasticidade Ductilidade Fluência Fadiga Dureza Tenacidade Resiliência Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS Um grande número de propriedades pode ser derivado de um único tipo de experimento, o ensaio de tração. No ensaio de tração, o material é tracionado e se deforma até fraturar. Medese o valor da força e do elongamento a cada instante, e gera-se uma curva tensão-deformação.

--- forma do material antes da aplicação da carga

Comportamento de materiais submetidos a tração e compressão



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS

Tensão = Força / Área

Comportamento de submetidos à tração

um

material



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO

Curva tensão vs deformação convencional




Área real

Curva tensão vs deformação real e de engenharia



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO A forma e a magnitude da curva dependem: 9 composição do material 9 tratamento térmico 9 deformação plástica anterior 9 taxa de deformação 9 temperatura 9 estado

de

tensões

aplicado

durante o ensaio.




Efeito da recuperação na tensão vs deformação

Influência da temperatura na curva tensão vs deformação




Efeito do encruamento (“deformação”) na curva tensão vs deformação

Influência do encruamento (“deformação”) nas 166 propriedades mecânicas dos materiais. Elaborado por Eng Fabio Alves

PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS LIMITE DE ESCOAMENTO onde não observa-se nitidamente o fenômeno tensão

de

escoamento,

de

a

escoamento

corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente valor

(A)

(B)

de 0,2% ou outro

especificado

(obtido

pelo

método gráfico)

Curva tensão-deformação:: (A) não apresenta um limite de escoamento nítido; (B) apresentação de um patamar nítido de onde ocorre o escoamento.



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS LIMITE DE RESISTÊNCIA

Curva tensão-deformação



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS DUCTILIDADE A ductilidade é uma medida do grau de deformação plástica que foi sustentada na fratura. Pode ser expressa quantitativamente pelo alongamento ou elongação na fratura (Єf) e pela redução de área na fratura (RAf).

Comportamento de materiais submetidos a tração e compressão



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS DUCTILIDADE

Comportamento de materiais ducteis (“ductile”) e frágeis (“brittle”)quando carregados até a sua ruptura (fratura)



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS RESILIÊNCIA Resiliência é a energia que o material absorve na região elástica. Esta energia corresponde à área sob a curva tensão vs deformação até o limite de escoamento.

Curva tensão x deformação de materiais de diferentes propriedades



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS TENACIDADE Tenacidade (“toughness”) é a capacidade do material de armazenar energia na região de comportamento plástico.

Comportamento de materiais ducteis (“ductile”) e frágeis (“brittle”)quando carregados até a sua ruptura (fratura)



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS TENACIDADE tensão

Alta resistência, baixa ductilidade, baixa tenacidade

Alta resistência, alta ductilidade, alta tenacidade

Baixa resistência, alta ductilidade, baixa tenacidade deformação

Comportamento de diferentes materiais quando carregados até a sua ruptura (fratura)



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS DUREZA A dureza é uma medida da resistência de um material à deformação plástica local (por exemplo, uma pequena indentação ou um risco). Os conceitos de dureza possuem interpretações diferentes em função da atividade desenvolvida pelo usuário. No caso dos metais é medida principalmente pela resistência à penetração de um material em outro. Esta propriedade é facilmente determinada; fornece informações sobre a resistência mecânica, os tratamentos térmicos ou mecânicos realizados e a resistência ao desgaste. Existem três tipos principais de ensaios de dureza: por risco, por choque e por penetração.



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS DUREZA

Técnicas de ensaio de dureza para materiais metálicos (dureza por penetração)



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS FLUÊNCIA Fluência é a deformação plástica que ocorre em materiais sujeitos a tensões constantes, a temperaturas elevadas.

É muitas vezes o fator limitante na vida útil da peça. Se torna importante, para metais, a T ~ 0,4TFUSÃO

Esquema de um ensaio de fluência



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS FLUÊNCIA Caso não ocorresse a fluência, a deformação seria constante (dada pelo ensaio de tração). Primário (transiente): material encrua e a tx de cresc. da deformação com o tempo diminui. Secundário (estacionário): tx de cresc. é constante, devido a uma competição entre encruamento e recuperação. Terciário: deformação

ocorre

uma

causada

aceleração por

da

mudanças

microestruturais (rompimento das fronteiras de grão) Estágios das curvas de fluência



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS FLUÊNCIA As curvas de fluência variam em função da temperatura de trabalho e da tensão aplicada.



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS FLUÊNCIA Caso não ocorresse a fluência, a deformação seria constante (dada pelo ensaio de tração).

Curvas de fluência do aço carbono a 450oC



PROPRIEDADES MECÂNICAS CONCEITOS

Propriedades mecânicas de alguns materiais metálicos



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO PERLITA & CEMENTITA

Influência do teor de carbono na dureza e ductilidade das microestrutura dos aços



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO

Energia de impacto Izod (ft.lb)

Limite de escoamento e limite de resistência à tração

PERLITA & CEMENTITA

A cementita é muito mais duro e, portanto, mais frágil que a ferrita. Então, quando maior o teor de cementita no aço, maior será sua dureza e resistência e menor sua ductilidade e tenacidade (energia de impacto).



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO MARTENSITA

Influência do resfriamento nas propriedades mecânicas de um aço



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO MARTENSITA REVENIDA

Efeitos do revenimento de um aço (0.5% C, 0.7% Mn) temperado em água (Ttêmpera = 830ºC)



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO MARTENSITA & MARTENSITA REVENIDA

e

mais

frágil

dentre

as

microestruturas possíveis em uma liga de Fe-C; ¾ Sua alta dureza está relacionado a capacidade dos átomos intersticiais de carbono de restringir o movimento das

Dureza Rockwell C

resistente

Índice de dureza Brinell

¾ A martensita é a mais dura, mais

discordâncias, bem como ao número relativamente pequeno de sistemas de escorregamento para a estrutura TCC.




¾A

martensita

é

muito

dura

para

determinadas aplicações; podem melhorar com a execução de um tratamento térmico de revenimento; ¾ Revenimento: aquecimento de um aço

Dureza

¾ A ductilidade e a tenacidade da martensita

temperado até 250-650ºC para deixar a difusão

ocorrer

e

formar

a

martensita

revenida conforme a equação: Mart. (TCC) Î Mart. rev. (Ferrita α + Fe3C)




Cementita (Fe3C) região clara

Ferrita região escura

A microestrutura da martensita revenida é similar a da cementita globulizada, mas possui partículas de Fe3C menores, o que acarreta em dureza e resistência maiores.



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO BAINITA As bainitas apresentam propriedades mecânicas intermediárias entre a martensita e as microestruturas obtidas por resfriamento lento. No caso da tenacidade, a bainita inferior normalmente é mais tenaz, porém pode-se produzir bainitas superiores mais tenazes com elementos de liga que produzam austenita ao invés de carbonetos entre as ripas de ferrita.



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO BAINITA

A bainita é mais resistente e dura que a perlita



PROPRIEDADES MECÂNICAS MICROESTRUTURA DO AÇO

Perlita grossa ~86-97 HRB Perlita fina ~20-30 HRC Bainita superior ~40-45 HRC

Bainita inferior~50-60 HRC Martensita 63-67 HRC



TRATAMENTOS TÉRMICOS

191

TRATAMENTOS TÉRMICOS INTRODUÇÃO Os tratamentos térmicos promovem transformações de fase que ocorrem nos metais no estado sólido, através dos quais é possível uma grande alteração nas propriedades mecânicas em muitas ligas, sem modificação das suas composições químicas. Tratar termicamente um aço significa aquecê-lo em velocidade adequada, mantê-lo em temperatura por um tempo suficiente para que ocorram as transformações e resfriá-lo em um meio adequado de modo a adquirir as propriedades desejadas.



TRATAMENTOS TÉRMICOS INTRODUÇÃO Recozimento

9 Recozimento Pleno 9 Esferoidização 9 Recozimento para Alívio de Tensões 9 Normalização

Têmpera e Revenido 9 Austêmpera

Trat. Térmicos Especiais

Trat. de Endurecimento Superficial

9 Martêmpera 9 Recozimento Isotérmico

9 Têmpera Superficial 9 Trat. Termoquímicos



TRATAMENTOS TÉRMICOS VARIÁVEIS Para se caracterizar um tratamento térmico numa peça, é necessário se definir o aquecimento, aquecimento a permanência na temperatura de tratamento e o resfriamento. resfriamento A temperatura de tratamento é, usualmente, obtida do diagrama de equilíbrio da liga, sendo, em casos especiais, ajustada com maior precisão por meio de ensaios em corpos-de-prova. A taxa de aquecimento, aquecimento normalmente, não é importante, embora possa, caso seja muito elevada, causar empeno e até mesmo trincas em peças previamente encruadas ou totalmente martensíticas.



TRATAMENTOS TÉRMICOS VARIÁVEIS A permanência na temperatura elevada não deve ir muito além do tempo necessário para a homogeneização da temperatura na peça e obtenção da estrutura desejada pois períodos muito extensos podem acarretar fragilidade pelo crescimento do grão ou uma grande descarbonetação superficial, quando a peça sob tratamento térmico não esteja numa atmosfera controlada ou num ambiente protetor. A velocidade de resfriamento é um fator muito importante, pois, como visto pelos diagramas TTT ou CCT, as estruturas resultantes da transformação da austenita são função do tipo de resfriamento adotado. As técnicas de resfriamento intenso podem implicar em diferentes velocidades de resfriamento em locais distintos da peça, gerando tensões térmicas que podem causar empenamento ou trincas.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TEMPERABILIDADE A temperabilidade representa a capacidade do aço em endurecer por transformação martensítica, como resultado de um tratamento térmico de têmpera. Um aço de alta temperabilidade endurece pela formação de martensita não só na superfície, mas também numa longa profundidade da peça tratada. Todos os elementos de liga aumentam a temperabilidade, temperabilidade exceto o Cobalto.

ENSAIO JOMINI – Ensaio para se avaliar a temperabilidade dos aços



TRATAMENTOS TÉRMICOS TEMPERABILIDADE

Curvas de temperabilidade de alguns aços em função da distancia da extremidade temperada (velocidade de resfriamento a 700 oC)



TRATAMENTOS TÉRMICOS TEMPERABILIDADE Quanto mais elementos de liga em solução sólida na austenita maior a temperabilidade do aço, pois os coeficientes de difusão dos diversos elementos decrescem. Dessa forma, as reações difusionais são retardadas.

Como avaliar a temperabilidade de diferentes aços? Carbono equivalente

Mn (Cr + Mo + V ) ( Ni + Cu ) + + CE ( IIW ) = C + 6 6 15



TRATAMENTOS TÉRMICOS TEMPERABILIDADE AISI

%C

%Cr

%Ni

%Mo

1040

0,40

-

-

-

5140

0,40

0,85

-

-

8640

0,40

0,50

0,55

0,20

4140

0,40

1,00

-

0,20

4340

0,40

1,85

0,80

0,25

CE ( IIW ) = C +

Mn (Cr + Mo + V ) ( Ni + Cu ) + + 6 6 15

4340 (1.85% Cr, 0.8% Ni, 0.7% Mn, 0.25% Mo e 0.4% C) CE = 0.85% 4140 (1% Cr, 0.9% Mn, 0.2% Mo e 0.4% C) CE = 0.79% 8640 (0.55% Ni, 0.5% Cr, 0.85% Mn, 0.2% Mo e 0.4% C) CE = 0.72% 5140 (0.85% Cr, 0.8% Mn e 0.4% C) CE = 0.70% 1040 (0.4% C) CE = 0.40%



TRATAMENTOS TÉRMICOS TEMPERABILIDADE FATORES QUE INFLUENCIAM Composição química; Tamanho de grão; Homogeneidade do aço no campo austenítico. Os contornos de grão e os contornos dos precipitados com a matriz austenítica são locais preferenciais para a nucleação das fases oriundas das transformações difusionais (γ → α, γ → P e γ → Fe3C). Assim, aumentando-se o tamanho de grão e dissolvendo-se mais precipitados e inclusões presentes no aço, a temperabilidade aumenta. Esses dois fatores são favorecidos por um aumento da temperatura de austentização. A máxima dissolução de precipitados e homogeneização da austenita no tratamento de têmpera é desejável, mas o crescimento de grãos austeníticos é extremamente deletério para as propriedades mecânicas do aço temperado.



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO RECOZIMENTO PLENO O

recozimento

pleno

ou,

simplesmente,

recozimento,

consiste

no

aquecimento a cerca de 30oC acima da zona crítica (acima da linha A3) para os aços hipoeutetóides, ou acima do patamar eutetóide (acima de A1) para os aços hipereutetóides, durante o tempo necessário para uma completa austenitização, seguido de um resfriamento lento. O resfriamento, usualmente, é feito no forno, com a diminuição da temperatura de 20 a 30OC por hora, até alcançar 300 a 500OC, quando o resfriamento pode passar a ser feito ao ar.



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO RECOZIMENTO PLENO Com o recozimento pleno, obtem-se para os aços hipoeutetóides uma estrutura constituída de ferrita e perlita grosseira O recozimento pleno é usado para regenerar a estrutura, de modo a diminuir a dureza aumentar a ductilidade, aliviar tensões internas causadas por tratamento anterior e refinar o grão.



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO RECOZIMENTO PLENO



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO ESFEROIDIZAÇÃO Para os aços de baixo e médio carbono, a estrutura ideal do ponto de vista de usinabilidade é a perlita grosseira obtida pelo recozimento pleno. Para aços de alto carbono é preferível a estrutura "esferoidita" onde os carbonetos encontram-se na forma de glóbulos. Esta

estrutura

é

conseguida

pela

solubilização

dos

carbonetos

(austenitização), seguida pela manutenção da temperatura logo abaixo da linha A1), durante um período de 12 a 15 horas. horas Não se deve, no tratamento de esferoidização, austenitizar o aço mais que 50oC acima de A1, nem obter-se a transformação da austenita a mais de 50oC abaixo de A1.



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO ESFEROIDIZAÇÃO

Tratamento térmico de esferoidização

Microestrutura – “Esferoidita”

Aço SAE 1095

Aço SAE 4340



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO ESFEROIDIZAÇÃO

T, t

Evolução microestrutural no aço :: perlita em esferoidita



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES O tratamento térmico de alívio de tensões consiste, de modo simplificado, em aquecer uniformemente a peça, de maneira que o limite de escoamento do material fique reduzido a valores inferiores às tensões residuais. Nesta condição, as tensões residuais provocam deformações plásticas locais diminuindo de intensidade. Para impedir mudanças na microestrutura ou dimensões da peça, a temperatura é mantida abaixo da temperatura crítica. O recozimento para alívio de tensões depende da temperatura, do tempo e do material utilizados para a obtenção das propriedades desejadas.



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO RECOZIMENTO PARA ALÍVIO DE TENSÕES



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO NORMALIZAÇÃO A normalização consiste no aquecimento acima da zona crítica (acima da linha A3 ou da linha Acm) durante um determinado tempo para completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento ao ar tranqüilo.



TRATAMENTOS TÉRMICOS RECOZIMENTO NORMALIZAÇÃO Com a normalização, obtém-se um refino da granulação grosseira de peças fundidas ou forjadas e maior homogeneidade da composição química, pela diminuição

da

segregação

através

de

difusão

(obtenção

de

uma

microestrutura mais fina e uniforme). A normalização é também usada para dar maior uniformidade à estrutura das peças que serão submetidas ao tratamento de tempera e revenido. A normalização, por si só, aumenta um pouco a dureza e a resistência mecânica do aço (rápido resfriamento Æ 1. menor TG ; 2. maior quantidade de soluto em solução sólida na ferrita, quando comparado com o previsto pelo diagrama de equilíbrio Fe-C). Após a normalização as lamelas da perlita estão mais próximas, tendo-se a perlita fina.


TRATAMENTOS TÉRMICOS MICROESTRUTURAS

Normalização

têmpera



TRATAMENTOS TÉRMICOS TÊMPERA & REVENIDO TÊMPERA A tempera (“Quenching”) consiste no aquecimento acima da zona crítica durante o tempo necessário para uma completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento rápido. Seu objetivo é aumentar a dureza do aço e, em conseqüência, sua resistência mecânica

Severidade de têmpera (H) em função dos meios de resfriamento



TRATAMENTOS TÉRMICOS TÊMPERA & REVENIDO TÊMPERA A transformação martensÍtica ocorrerá se a velocidade de resfriamento for suficientemente elevada.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TÊMPERA & REVENIDO TÊMPERA A dureza obtida na tempera é em função do teor de carbono do aço (composição química) e da quantidade de martensita formada (severidade do meio de resfriamento). resfriamento)



TRATAMENTOS TÉRMICOS MICROESTRUTURAS Recozido perlita grossa Recozimento Normalização

Normalizado perlita fina Normalização e recozimento de um aço eutetóide



TRATAMENTOS TÉRMICOS TÊMPERA & REVENIDO REVENIDO (“Tempering”) Em virtude de suas propriedades, é raro o emprego de aço na condição de como temperado. O revenimento consiste em aquecer o material a temperaturas bastante inferiores à temperatura crítica (200 a 700

oC),

permitindo uma certa

acomodação do sistema cristalino e, como conseqüência, a diminuição da dureza e o aumento da tenacidade da peça (conferir tenacidade e aliviar tensões no aço temperado). A estrutura resultante chama-se de martensita revenida. revenida



TRATAMENTOS TÉRMICOS TÊMPERA & REVENIDO REVENIDO (“Tempering”) A variável mais importante no revenido é a temperatura de aquecimento, seguida pelo tempo de permanência nesta temperatura.

Efeito da temperatura de revenido num aço com 0,5% C, temperado em água



TRATAMENTOS TÉRMICOS TÊMPERA & REVENIDO - MICROESTRUTURAS OBTIDAS Martensita É uma solução sólida supersaturada de carbono (não se forma por difusão) Microestrutura em forma de agulhas É dura e frágil (dureza: 63-67 Rc) Tem estrutura tetragonal cúbica (é uma fase metaestável, por isso não aparece no diagrama.

Martensita Revenida É obtida pelo reaquecimento da martensita, formando fase alfa + carbonetos (geralmente, cementita). Possui menor dureza que a martensita. Forma de agulhas escuras



TRATAMENTOS TÉRMICOS MICROESTRUTURAS

Martensita

Revenimento

Martensita Revenida Têmpera



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS AUSTÊMPERA A austêmpera, também denominada têmpera bainítica ou tempera de fase intermediária, substitui o tratamento térmico de têmpera e revenido. a) aquecimento acima da zona crítica durante um tempo para completa

ETAPAS

homogeneização da austenita; b) resfriamento rápido num banho mantido a temperatura constante, entre a temperatura corresponden-te ao cotovelo e a temperatura M s, geralmente entre 400 e 260°C; c) permanência nessa temperatura durante o tempo suficiente para completa transformação de auste-nita em bainita; d) resfriamento qualquer, geralmente ao ar.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS AUSTÊMPERA Em relação ao tratamento de têmpera e revenido, a austêmpera apresenta a vantagem de transformar a austenita em temperaturas mais elevadas que na tempera. Isto resulta em tensões internas muito menores, minimizando deformações e evitando trincas. A limitação da austêmpera está no fato da velocidade de resfriamento ser menor que a obtida na têmpera, porque a temperatura do banho é maior que a ambiente. Sendo assim, em peças grandes, há o risco da formação de alguma perlita em locais resfriados mais lentamente. Além disso, existem aços onde a formação de bainita exige um tempo muito prolongado, como no caso do aço 9261 onde a austenita leva 24 horas para se transformar em bainita.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS AUSTÊMPERA



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS AUSTÊMPERA

Representação esquemática do tratamento térmico de austêmpera



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS MARTÊMPERA A martêmpera, também chamada têmpera interrompida, interrompida visa diminuir as deformações pelas tensões devidas ao resfriamento rápido. a) aquecimento acima da zona crítica durante um tempo para completa

ETAPAS

homogeneização da austenita; b) resfriamento rápido até uma temperatura pouco acima do Ms (geralmente em banho de óleo quente ou sal fundido); c) permanência neste banho por tempo suficiente para homogeneizar a temperatura na peça; d) resfriamento qualquer (geralmente ao ar) através da faixa entre Ms e Mf.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS MARTÊMPERA O aço deve possuir elementos de liga para que se forme martensita, mesmo com o resfriamento lento que ocorre neste tratamento. Após a martêmpera, deve ser realizado o tratamento de revenido, revenido dispensável no caso da austêmpera.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS RECOZIMENTO ISOTÉRMICO O recozimento isotérmico consiste no aquecimento acima da zona crítica para completa homogeneização da austenita, seguido de um resfriamento rápido, num banho mantido numa temperatura entre o Ai e a temperatura do cotovelo. A peça é mantida nesta temperatura o tempo necessário para a completa transformação da austenita. Assim que isso ocorre, a peça é submetida a um tipo qualquer de resfriamento até atingir a temperatura ambiente. A microestrutura obtida é mais uniforme que no recozimento pleno. pleno O recozimento isotérmico não é vantajoso em relação ao recozimento pleno no caso de peças grandes, grandes pois a velocidade de resfriamento será muito baixa



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS TÉRMICOS ESPECIAIS RECOZIMENTO ISOTÉRMICO Recozimento pleno

Faixa de temperatura

Recozimento Isotérmico



TRATAMENTOS TÉRMICOS MICROESTRUTURAS Temperatura eutetóide

Austenita Cementita globulizada Perlita Martensita Revenida

Bainita

Aqueciment o Têmpera

Martensita

Temperatura ambiente

Resumo das microestrutura em função das faixas de temperatura



TRATAMENTOS TÉRMICOS RESUMO TRATAMENTO

NO QUE CONSISTE

INDICAÇÃO

MICROESTRUTURAS

PROPRIEDADES Dureza/Res.Mec ↓ Ductilidade ↑ Tenacidade → / ↓

RECOZIMENTO PLENO

Austenitização seguida resfriamento ao forno

de

Amolesce o material para usinagem ou conformação a frio

Perlita grossa eutetóide

NORMALIZAÇÃO

Austenitização seguida resfriamento ao ar

de

Homogeneização; refino de grãos; prepara o material para um tratamento de têmpera a seguir

Aços de baixa temperabilidade: perlita fina + fase pró-eutetoide. Em aços de média e alta temperabilidade pode ocorrer bainita e até martensita

Dureza/Res.Mec → Ductilidade → Tenacidade → / ↑

RECOZIMENTO PARA ESFEROIDIZAÇÃO

Tratamento prolongado (10 a 15 horas) logo abaixo ou cíclico em torno da temperatura A1 do aço. Não funciona bem para aços baixo carbono (<0,30%)

Amolesce o material para usinagem ou conformação a frio – nesse sentido é mais eficiente

Esferoidita – carbonetos grosseiros e esferoidizados em matriz ferrítica dúctil

Dureza/Res.Mec ↓↓ Ductilidade ↑↑ Tenacidade → / ↑

TÊMPERA

Austenitização seguida de resfriamento rápido suficiente para promover a transformação martensítica. O meio de resfriamento não deve ser excessivamente brusco para não provocar empenos e trincamentos. A temperatura de austenitização deve ser alta suficiente para homogeneizar e dissolver o máximo de elementos de liga, mas deve ser baixa suficiente para evitar o crescimento de grãos

Endurece o material

Martensita (Em aços média e alta liga, além de martensita, consideráveis quantidades de austenita retida e carbonetos não dissolvidos podem estar presentes)

Dureza/Res.Mec ↑↑ Ductilidade ↓↓ Tenacidade ↓↓

+

fase

pró-


TRATAMENTOS TÉRMICOS RESUMO TRATAMENTO REVENIDO

NO QUE CONSISTE

INDICAÇÃO

Aquecimento do aço temperado (martensítico) na faixa de 200oC a 650oC (em poucos casos até 700oC)

- Alivia tensões - Confere tenacidade modificando a microestrutura da martensita.

Martensita revenida, com caracterísitcas que variam bastante com a temperatura de tratamento

Variam muito com a temperatura de revenido: Dureza/Res.Mec ↑↑ / ↑ Ductilidade ↓↓ / → Tenacidade ↓↓ / ↑

Endurecer o material, porém com um nível menor de tensões internas, minimizando a incidência de trincas e empenos.

Martensita (Em aços média e alta liga, além de martensita, consideráveis quantidades de austenita retida e carbonetos não dissolvidos podem estar presentes)

Dureza/Res.Mec ↑↑ Ductilidade ↓↓ Tenacidade ↓↓

Produzir aços bainíticos

Bainita superior (conforme a escolhida)

MARTÊMPERA

AUSTÊMPERA

Tratamento isotérmico para produção de bainita.

MICROESTRUTURAS

PROPRIEDADES

ou inferior temperatura


TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS Através dos tratamentos de endurecimento superficial é possível ter dureza elevada na superfície, mantendo o núcleo da peça com elevada tenacidade. Deste modo, obtém-se aumento na resistência ao desgaste e à fadiga e a peça continua resistente a impactos devido ao núcleo macio. O endurecimento superficial é obtido pela tempera superficial ou por tratamentos termoquímicos nos quais há difusão de elementos como o carbono e nitrogênio, a partir da superfície externa.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS Têmpera Superficial 9 por chama;

Trat. de Endurecimento Superficial

9 por indução;

Trat. Termoquímicos 9 cementação; 9 nitretação; 9 cianetação; 9 carbo-nitretação 9 boretação



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TÊMPERA SUPERFICIAL A têmpera superficial é obtida pelo aquecimento superficial da peça por uma chama ou pela indução de uma corrente elétrica, seguida de um resfriamento brusco. Geralmente é adotado um revenido em baixa temperatura para o alívio das tensões. A têmpera superficial apresenta as vantagens de não exigir fomos de aquecimento nem instalações especiais, de ser mais rápida que a tempera comum e de não produzir grande oxidação ou descarbonetação. Os aços mais utilizados têm um teor de carbono entre 0,30 e 0,65% C, sendo preferíveis os de granulação fina, menos suscetíveis a fissuração no resfriamento do que os de granulação grosseira.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TÊMPERA SUPERFICIAL Na têmpera superficial por chama são empregados bocais independentes; um correspondente ao maçarico oxi-acetilênico e outro à água. Dependendo da composição química e da velocidade de deslocamento de chama, o endurecimento pode atingir 1 a 5mm.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TÊMPERA SUPERFICIAL Na têmpera superficial por indução, ão parte da peça (componente ou material) é colocada no interior de uma bobina submetida à passagem de corrente alternada. O campo energiza a peça, provocando seu aquecimento. Dependendo da freqüência e da corrente, a taxa e a profundidade de aquecimento podem ser controladas. O resfriamento da peça tratada pode ser feito por um jato de água, ar ou imersão de óleo após o aquecimento.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TÊMPERA SUPERFICIAL



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS Nos tratamentos termoquímicos, objetiva-se o aumento da dureza superficial através da difusão de elementos como o carbono, o nitrogênio ou ainda o boro. O meio de tratamento termoquímico pode ser sólido, líquido ou gasoso. Os principais tratamento termoquímicos são: 9 cementação; 9 nitretação; 9 cianetação; 9 carbo-nitretação 9 boretação



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS O tratamento de cementação (ou carbonetação) é o tratamento pelo qual o carbono é difundido do meio ambiente para a peça, através da sua superfície externa. Aços com baixo teor de carbono adquirem uma camada superficial com alto teor de carbono, usualmente endurecida por um tratamento térmico posterior. A espessura da camada comentada depende do tempo e da temperatura de tratamento. Usualmente é convencionado um valor de dureza (por exemplo 550HV) como o limite da camada cementada. Após a cementação, a peça é tratada termicamente para refinar o grão e conseguir as propriedades desejadas.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

Perfil de dureza de uma camada cementada.

Espessura da camada em função do tempo e duração da cementação (critério: 550 HV)



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS A cementação sólida é feita em caixas de aço onde são colocadas as peças a serem cementadas envoltas por um meio carburante sólido como, por exemplo, carvão vegetal, e por ativadores, como os carbonatos de bário, cálcio ou sódio. A cementação líquida é feita em banhos de sal, contendo cianeto de sódio ou de potássio; e a gasosa é feita, mantendo-se no forno uma atmosfera carburizante.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS É a difusão de nitrogênio do ambiente para a peça, obtendo-se uma superfície dura, resistente ao desgaste e com maior resistência à corrosão. A espessura da camada nitretada é pequena, da ordem de décimos de milímetro. A nitretação é realizada na faixa de 500 a 600°C, havendo a difusão do nitrogênio pela ferrita. Os tempos de tratamento são longos, variando de 12 a 120 horas.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS

Difusão de nitrogênio durante a nitretação gasosa



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS A fonte de nitrogênio na nitretação a gás é a amônia, que se decompõe em hidrogênio molecular e nitrogênio atômico que se difunde através do aço. Na nitretação líquida, o meio fornecedor de nitrogênio é um banho de sais fundidos, contendo, principalmente, NaCN e KCN (cianetos de sódio e de potássio) com adições de Na2CO3 (carbonato de sódio) e NaCNO (cianato de sódio). A nitretação líquida é conseguida em períodos de 1 a 4 horas, mais rápida, portanto, que a nitretação a gás.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS Consiste na difusão simultânea do carbono e do nitrogênio pela imersão num banho de cianetos em temperaturas da ordem de 750 a 900oC, tendo-se, portanto, a presença de austenita. O tempo de permanência é, geralmente, de 15 a 90 minutos e a espessura da camada, normalmente, inferior a 0,3mm. A cianetação é chamada também de carbo-nitretação líquida.



TRATAMENTOS TÉRMICOS TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAIS TRATAMENTOS TERMOQUÍMICOS A carbo-nitretação consiste na difusão simultânea do carbono e nitrogênio em peças tratadas numa atmosfera carburizante, contendo cerca de 3 a 8% de NH3 e em temperaturas de ordem de 800 a 900oC. Na boretação tem-se a introdução de boro a partir do carboneto de boro (B4C) no estado sólido, em temperaturas de 800 a 1050oC. O boreto de ferro formado na superfície do aço resulta numa dureza elevada.



MECANISMOS DE ENDURECIMENTO

246

MECANISMO DE ENDURECIMENTO INTRODUÇÃO Os metais apresentam valores de resistência mecânica muito inferiores ao previstos teoricamente devido a presença de defeitos (ex. discordâncias). O endurecimento pode ser adquirido pelos seguinte mecanismos: 9 Encruamento; 9 Solução sólida; 9 Precipitação (ou dispersão); 9 Refino de grão; 9 Transformação de fase.



MECANISMO DE ENDURECIMENTO ENCRUAMENTO A multiplicação do número de discordâncias durante a deformação de um metal reduz o caminho livre entre discordâncias, isto é, sua movimentação é reduzida.



MECANISMO DE ENDURECIMENTO ENCRUAMENTO Efeitos do encruamento na resistência mecânica.

Microestrutura de um material com diferentes níveis de encruamento (a. condição inicial; d. maior encruamento)



MECANISMO DE ENDURECIMENTO SOLUÇÃO SÓLIDA Os átomos de soluto ocupam lugares da rede cristalina de um dado metal. Estes átomos provocam distorção na rede; para minimizar a energia do material procuram lugares onde se acomodam mais facilmente, como junto às discordâncias.

Efeito de elementos de liga em cobre



MECANISMO DE ENDURECIMENTO REFINO DE GRÃO Os contornos de grão são regiões que apresentam distorção na rede atrapalhando a movimentação das discordâncias.



MECANISMO DE ENDURECIMENTO PRECIPITAÇÃO O material exibe uma segunda fase, isto região com composição e características distintas, dispersa na matriz.Provocarem distorção na rede;As discordâncias vão ter dificuldade em se movimentar através destas partículas (ex: carbonetos).

Interação dos precipitados com os átomos da matriz. (A) Pcp coerente, maior endurecimento e (B) Pcp incoerente, menor endurecimento



MECANISMO DE ENDURECIMENTO TRANSFORMAÇÃO DE FASE



MECANISMO DE ENDURECIMENTO

Dureza Rockwell C

Índice de dureza Brinell

TRANSFORMAÇÃO DE FASE



D ÚVIDAS DÚVIDAS [email protected]



FBTS - InspEquip - Metalurgia_070908

Recommend Documents