ICP

Estrutura molecularMateriais metlicosisaias

2011

APOSTILA REFEITA

1 Estruturas Cristalinas de Metais A ligao atmica neste grupo de materiais metlica, de tal modo que sua natureza no-direcional. Conseqentemente, no existem restries em relao ao nmero e posio dos tomos vizinhos mais prximos; isto leva a nmeros relativamente grandes de vizinhos mais prximos, bem como a empacotamentos densos dos tomos para a maioria das estruturas cristalinas dos metais. Ainda, no caso dos metais, ao se utilizar o modelo de esferas rgidas para representar a estrutura cristalina, cada esfera representa um ncleo inico. Trs estruturas cristalinas relativamente simples so encontradas para a maioria dos metais mais comuns, elas so: cbica de faces centradas, cbica de corpo centrado e hexagonal compacta. Cbica de Faces Centradas A estrutura cristalina encontrada em muitos metais possui uma clula unitria com geometria cbica, com os tomos localizados em cada um dos vrtices e nos centros de todas as faces do cubo. Esta adequadamente chamada de estrutura cristalina cbica de faces centradas (CFC). Alguns dos metais mais familiares que possuem essa estrutura cristalina so o cobre, o alumnio, a prata e o ouro.

Figura 1 Para a estrutura cristalina cbica de faces centradas: (a) uma representao da clula unitria atravs de esferas rgidas, (b) uma clula unitria com esferas reduzidas, e (c) um agregado de muitos tomos. A figura 1 a mostra um modelo de esferas rgidas para a clula unitria CFC, enquanto na figura 1 b os centros dos tomos esto representados por pequenos crculos com o objetivo de proporcionar melhor perspectiva das posies dos tomos. O agregado mostrado na figura 1 c representa uma seo de cristal que consiste em muitas clulas unitrias CFC. Estas esferas ou ncleos inicos se tocam umas s outras atravs de uma diagonal da face; o comprimento da aresta do cubo a e o raio atmico R esto relacionados atravs da expresso:

Para a estrutura cristalina CFC, cada tomo em um vrtice compartilhado por oito clulas unitrias, enquanto um tomo centrado em uma face pertence a apenas duas. Portanto, um oitavo de cada um dos oito tomos em vrtices e metade de cada um dos seis tomos localizados nas faces, ou um total de quatro tomos inteiros, pode ser atribudo a uma dada clula unitria. A clula compreende o volume do cubo, que gerado a partir dos centros dos tomos nos vrtices.As posies nos vrtices e nas faces so m na realidade equivalentes; isto , uma translao do vrtice do cubo de um tomo originalmente de um vrtice para um tomo localizado no centro de uma das faces no ir alterar a estrutura

da clula. Duas outras caractersticas importantes de uma estrutura cristalina so o nmero de coordenao e o fator de empacotamento atmico (FEA). Para os metais, cada tomo possui o mesmo numero de vizinhos mais prximos ou de tomos em contato, o que constitui no seu nmero de coordenao. No casso das estruturas cristalinas CFC o numero de coordenao 12. Isto pode ser confirmado atravs de um exame na figura 1 a; o tomo na face frontal possui quatro tomos vizinhos mais prximos localizados nos vrtices ao seu redor, quatro tomos de face que se encontram em contato pelo lado de trs e quatro outros tomos de face equivalentes localizados na prxima clula unitria, frente, que no mostrada. O FEA representa a frao do volume de uma clula unitria que corresponde a esferas slidas, assumindo o modelo da esfera atmica rgida, ou

Para as estruturas CFC, o fator de empacotamento de 0,74, que consiste no mximo empacotamento possvel para um conjunto de esferas onde todas possuem o mesmo dimetro. Tipicamente, os metais possuem fatores de empacotamento atmico relativamente elevados, a fim de maximizar a proteo dada pela nuvem de eltrons livres. 1.2 Cbica de corpo centrado Outro tipo comum de estrutura cristalina encontrada em metais tambm possui uma clula unitria cbica, com tomos localizados em todos os oito vrtices e um nico tomo localizado no centro do cubo. Esta conhecida por estrutura cristalina cbica de corpo centrado (CCC). Um conjunto de esferas demonstrando essa estrutura est mostrado na figura 2 c , enquanto as figuras 2 a e 2 b so diagramas das clulas unitrias CCC onde os tomos so representados segundo os modelos de esferas rgidas e esferas reduzidas, respectivamente.

Figura 2 Para a estrutura cristalina de corpo centrado, (a) uma representao da clula unitria atravs de esferas rgidas, (b) uma clula unitria com esferas reduzidas, e (c) um agregado de muitos tomos. Os tomos no centro e nos vrtices tocam-se ao longo da diagonal do cubo, e o comprimento clula unitria a e o raio R esto relacionados atravs da expresso

O cromo, o ferro, o tungstnio, bem como diversos outros metais exibem estrutura do tipo CCC. Dois tomos esto associados a cada clula CCC; o equivalente a um tomo, distribudo entre os oito vrtices, onde cada tomo do vrtice compartilhado por oito clulas unitrias, e o nico tomo do centro que est totalmente contido dentro de sua clula. Alm disso, as posies atmico as central e no vrtice so equivalentes. O nmero de coordenao para a estrutura cristalina CCC 8; cada tomo central possui como vizinhos mais prximos os seus oito tomos de vrtice do cubo. Uma vez que o numero de coordenao menor na CCC do que na CFC, o fator de empacotamento atmico na CCC tambm menor do que na CFC, sendo de 0,68, contra 0,74 na CFC. 1.3 Hexagonal Compacta Nem todos os metais tm clulas unitrias com simetria cbica; a estrutura cristalina metlica comum final a ser discutida tem uma clula unitria que hexagonal. A Figura 3 a mostra uma clula unitria de esfera reduzida para esta estrutura, que denominada hexagonal compacta (HC); uma montagem de vrias clulas unitrias HC apresentada na Figura 3.3b. As faces do topo e da base da clula unitria consiste de 6 tomos que formam hexgonos regulares e circundam um nico tomo no centro. Outro plano que fornece 3 tomos adicionais clula unitria est situado entre os planos do topo e da base. Os tomos neste plano intermedirio tm como tomos vizinhos mais prximos em ambos os 2 planos adjacentes. A equivalncia de 6 tomos est contida em cada clula unitria; 1/6 de cada um dos 12 tomos dos cantos das faces do topo e da base, 1/2 de cada um dos 2 tomos da face central, e todos os 3 tomos do plano intermedirio interior. Se a e c representarem, respectivamente, as dimenses curta e longa da clula unitria da Figura 3 a, a razo c/a deveria ser 1,633; entretanto, para alguns metais HC, esta razo se desvia do valor ideal.

Figura 3 - Para a estrutura cristalina hexagonal compacta, (a) uma clula unitria de esfera reduzida (a e c representam os comprimentos

das arestas curta e longa, respectivamente, e (b) um agregado de tomos. O nmero de coordenao e o fator de empacotamento atmico para a estrutura cristalina HC so os mesmos daqueles para CFC: 12 e 0,74, respectivamente. 1.4 Clculos de densidade Um conhecimento da estrutura do cristal de um slido metlico permite clculo de sua densidade verdadeira atravs da correlao

onde n = nmero de tomos associados com cada clula unitria A = peso atmico VC = volume da clula unitria NA = nmero de Avogadro (6,023 x 1023 tomos/mol) 1.5 Polimorfismo e Alotropia Alguns metais, bem como no-metais, podem ter mais do que uma estrutura cristalina, um fenmeno conhecido como polimorfismo. Quando encontrado em slidos elementares, a condio s vezes denominada alotropia. A estrutura cristalina predominante depende tanto da temperatura quanto da presso externa. Um exemplo familiar encontrado em carbono: grafita a polimorfa estvel nas condies ambientes, enquanto que diamante formado em presses extremamente altas. Tambm, ferro puro tem uma estrutura cristalina CCC temperatura ambiente, com mudanas para ferro CFC a 912C. Muitas vezes uma modificao da densidade e outras propriedades fsicas acompanham a transformao polimrfica. 2 Vacncias Cristais metlicos no so perfeitos, havendo vrios tipos de defeitos, um deles a vacncia. A existncia de vacncias foi proposto para explicar os fenmenos de difuso em metais. A difuso em cristais explicada em termos de vacncias, assumindo-se que as vacncias movem-se atravs da rede, produzindo deslocamentos aleatrios de tomos de uma posio da rede para outra.

Figura 4 Trs estgios de movimento de uma vacncia atravs de um cristal As vacncias movem-se como resultado de um salto de um tomo para um buraco (falta de tomo na rede). Para saltar, o tomo deve vencer as foras atrativas de seus vizinhos do lado oposto ao buraco, portanto trabalho realizado ou em outras palavras uma barreira de energia deve ser vencida. A energia fornecida pelas vibraes trmicas da rede. Quanto maior a temperatura, mais intensas as vibraes e mais freqentemente as barreiras so vencidas. Em altas temperaturas o movimento de vacncias rpido, portanto a taxa de difuso aumenta com o aumento da temperatura. Vacncias podem ser formadas pelo movimento de tomos de uma posio no interior do cristal para uma posio na superfcie.

Figura 5 A criao de uma vacncia O trabalho requerido para formao da vacncia representado pela letra w. Um cristal contendo nv vacncias ter uma energia interna (nVw) maior que um cristal sem vacncias, e ter sua energia livre aumentada de

A entropia do cristal na presena de vacncias aumenta pelos seguintes motivos: os tomos adjacentes a cada buraco so menos restritos que os completamente rodeados por outros tomos e podem vibrar de um modo mais irregular ou aleatrio. Cada vacncia contribui com uma pequena quantidade de entropia total do cristal, chamada entropia vibracional, nvs. entropia de mistura, Sm A equao se aplica considerando-se dois tipos de pontos de rede: ocupado e no ocupado. Assumindo um cristal com n0 tomos e nv stios vacantes, o nmero total de stios da rede ser

Para o equilbrio a energia livre deve ser mnima, ento o nmero de vacncias alcanar um valor que torna Gv um mnimo em dada temperatura.

Exemplo: A energia (entalpia) de formao para formao de vacncias em Cu aproximadamente 83,7 kJ/mol. Para as temperaturas de 0 K, 300 K e 1350 K, qual a concentrao de vacncias? Dado R = 8,37 J/mol.K Por qu h um nmero de equilbrio de vacncias em dada temperatura?

Em temperaturas prximas a Tf o trabalho para formar vacncias (nv.w) aumenta linearmente com o nmero de vacncias. Entropia: para baixas concentraes ( -TS) aumenta rapidamente com nv e cada vez mais lentamente com o aumento de nv Em n1 : wnv e TS so iguais e Gv = 0 ne = mnimo da energia livre Por qu o nmero de vacncias em equilbrio muda com a temperatura?

2. 1 Movimento de Vacncias

Quanto tempo leva para que o equilbrio seja alcanado? O movimento de vacncias causado por saltos sucessivos de tomos para vacncias. Uma barreira de energia deve ser vencida para o salto; a energia suprida pela vibrao trmica.

Ento a taxa na qual os tomos saltam dependem das duas energias, a energia para formar um mol de vacncias (Qf) e a barreira de energia que deve ser vencida para mover um mol de tomos para posies vacantes (Qm) 2.2 tomos Intersticiais e Divacncias tomo intersticial ocupa um lugar no cristal que normalmente no seria ocupado, os interstcios que ocorrem entre tomos nos stios normais da rede. Tipos de tomos que podem ocupar essas posies: tomos pequenos: C, N, H e O tomos que normalmente ocuparia uma posio regular da rede, o que causa uma grande distoro da rede. Como conseqncia, enquanto a energia de ativao para formao de vacncia no cobre por exemplo 1 eV, a energia para formao de um tomo intersticial da ordem de 4 eV.

Enquanto a formao desses defeitos muito difcil, e por isso sua concentrao nos metais muito pequena, a movimentao dos mesmos fcil, sendo a barreira de energia para movimentao da ordem de 0,1 eV. Isto porque qualquer tomo intersticial move-se sobre uma pequena distncia e como a distoro da rede severa ao redor do tomo intersticial, o movimento requer pouca energia.

3 Solues Slidas Uma soluo slida se forma quando, medida que os tomos do soluto so adicionados ao material hospedeiro, a estrutura cristalina mantida, e nenhuma nova estrutura formada. Ento, a soluo slida uma mistura homognea de duas ou mais espcies atmicas. Substitucional Intersticial

Fases intermedirias ou intermetlicas

Na soluo slida encontra-se um intervalo de composies, enquanto que nas fases intermetlicas existe um a composio estequiomtrica.

Ex. diagrama Cu-Zn soluo slida 50%-50%. O cobre tem estrutura cristalina CFC, o zinco tem estrutura cristsalina HCP e a soluo formada nesta composio tem estrutura CCC.

3.1 Solues Slidas Intersticiais Regra de Hume-Rothery para soluo slida intersticial Fator de tamanho atmico: quantidades apreciveis de um soluto podem ser acomodadas neste tipo de soluo slida somente quando a diferena entre os raios atmicos dos dois tipos de tomos menor do que aproximadamente 15%. De uma forma, os tomos do soluto iro criar distores substanciais na rede cristalina e uma nova fase ir se formar.

Estrutura cristalina: para que a solubilidade dos slidos seja aprecivel, as estruturas cristalinas para os metais de ambos os tipos de tomos devem ser as mesmas. Eletronegatividade: quanto mais eletropositivo for um elemento e mais eletronegativo for o outro, maior a tendncia de que eles venham a formar um composto intermetlico em lugar de uma soluo slida substitucional. Valncias: sendo iguais todos os demais fatores, um metal ter uma maior tendncia de dissolver um outro metal de maior valncia do que um de menor valncia. Exemplos de solutos intersticiais: C, N, O, H A difuso no ocorre por mecanismos de movimentao de vacncias mas por saltos entre interstcios.

Com a insero do soluto ocorre uma deformao do reticulado na vizinhana do tomo de soluto. Isto indica que para a introduo de um tomo de soluto necessrio a realizao de trabalho. Com a adio de tomos de cobre na rede do ferro ocorre um aumento da energia interna do cristal pela presena de nC tomo de C:

3.2 Solues Slidas Substitucionais Ex. Cu-Ni solubilidade completa

Devido a pequena diferena de dimetros atmicos ,2,551 e 2,487 para cobre e nquel respectivamente, apenas uma pequena distoro da rede causada. Regras de Hume-Rothery para solubilidade dimetros no devem diferir por mais de 15% - fator tamanho (distoro da rede) proximidade na srie eletroqumica ( ligao metlica) mesma valncia

cristalizar na mesma estrutura 3.3 Interao de Discordncias de tomos de Soluto Campo de tenses de discordncia em hlice

Os tomos de soluto substitucionais so responsveis pela diminuio da energia livre do cristal quando localizados: tomos grandes regio de trao de discordncias em cunha tomos pequenos- regio de compresso das discordncias em cunha Os tomos de soluto intersticiais normalmente provocam expanso do reticulado, deste modo, so atrados para as regies em trao das discordncias em cunha. Solutos intersticiais causam deformaes no esfricas (ex. direo

da rede ccc) que reagem com o campo de deformao de cisalhamento de discordncias em hlice

Da interao da discordncia com os tomos de soluto, podem originar: Segunda fase precipitando em regies de discordncias Atmosferas de discordncias estado de equilbrio (mesmo n de tomos entram e saem) sendo a concentrao de soluto maior nas regies de discordncias 4 Difuso Difuso o movimento de tomos dentro do material. Os tomos se movimentam para eliminar diferenas de concentrao. A difuso necessria para o tratamento trmico de metais e para a solidificao de materiais. 4.1 Estabilidade de tomos tomos podem se mover de um ponto de rede e ocupar uma vacncia vizinha, podem se mover de um espao intedrsticial a outro, podem pular atravs do contorno causando o movimento do contorno de gro. A habilidade dos tomos e imperfeies de difundir aumenta com o aumento da energia do tomo, ou energia trmica fornecida ao tomo. A taxa de movimento est relacionada com a temperatura pela equao de Arrhenius:

Taxa= nmero de tomos que se movem, C0= constante Q= energia de ativao 4.2 Energia de ativao para a difuso Para difundir, o tomo deve passar pelos vizinhos e alcanar sua nova posio. Para tanto ele deve sobrepor uma barreira de energia, Q, que a energia de ativao para a difuso. Normalmente a energia de ativao menor para a difuso intersticial do que para a difuso de vacncias. Valores baixos de energia de ativao indicam facilidade para a ocorrncia de difuso. 4.3 Mecanismos de difuso A difuso chamada de interdifuso quando ocorre entre metais diferentes, como por exemplo em ligas metlicas, tais como ligas Cu/Ni.

Mecanismos: Difuso por vacncias:o tomo deixa sua posio na rede para preencher uma vacncia vizinha, criando uma nova vacncia. Ocorre um fluxo de tomos em contra corrente ao fluxo de vacncias. O nmero de vacncias aumenta com a temperatura.

Difuso intersticial: um pequeno tomo que ocupa uma posio intersticial se move para outra posio intersticial. Por causa do maior nmero de interstcios quando comparado ao nmero de vacncias, a difuso intersticial mais rpida na maioria dos metais. Ex.: interdifuso de impurezas tais como H, C, N e O.

Mecanismos cooperativos: Troca pouco provvel, envolvida valore muito altos de energia. Neste caso os tomos trocam de lugar uns com os outros.

Anel de Zener baixa energia envolvida para estruturas abertas como ccc, exige mesma velocidade de difuso dos tomos do anel. Neste caso, os tomos giram e trocam suas posies.

4.4 Difuso estacionria (1 lei de Fick) A difuso um processo dependente do tempo, ou seja, a quantidade de um elemento que transportada dentro de outro funo do tempo. A taxa a qual os tomos difundem em um metal pode ser medida pelo fluxo, J.

Onde, M= nmero de tomos A = unidade de rea t= unidade de tempo Se o fluxo for constante com o tempo uma condio de difuso estacionria estabelecida.

A concentrao a fora motora para que ocorra a difuso O fluxo constante somente se o gradiente de concentrao for constante, ou seja, a composio de cada lado do plano no muda. O sinal negativo indica que a direo da difuso da regio de alta para a regio de baixa concetrao. 4.5 Difuso no estacionria (2 lei de Fick) Descreve a difuso dinmica de tomos onde o fluxo e o gradiente de concentrao em um ponto particular do slido varia com o tempo.

A soluo da segunda lei de Fick nos permite calcular a concentrao de soluto perto da superfcie do material como uma funo do tempo e distncia, considerando que D, Cs e C0 se mantenham constantes. Aplicao: auxilia no projeto de uma variedade de tcnicas de processamento de materiais, incluindo o tratamento trmico de aos. 4.6 Fatores que influenciam na difuso a) Tipos de tomos para difuso Exemplo: auto difuso de Fe em Fe- D=3,0 . 10-21 m2/s Interdifuso de carbono em Fe- D=2,4 . 10-12 m2/s Demostra a diferena entre a taxa de difuso via vacncias e intersticial. Difuso intersticial, com baixa energia de

ativao, ocorre mais rapidamente do que difuso por vacncias ou substitucional. b) Estrutura cristalina e ligaes qumicas - energia de ativao usualmente mais baixa para tomos que difundem numa estrutura cristalina mais aberta do que naquelas estruturas compactas. - a energia de ativao dependente das foras de ligao qumica e ento maior para tomos de materiais com alto ponto de fuso. - ctions possuem mais alto coeficiente de difuso do que anions, por causa do menor tamanho4 - a condutividade eltrica de materiais cermicos ligados ionicamente baseada na difuso de ons e est relacionada com a temperatura pela equao de Arrhenius. T D condutividade - em polmeros a difuso ocorre pela penetrao de tomos, ons ou molculas entre as cadeias do polmeroao invs de mover de uma posio para a outra da cadeia molecular. c) Tipos de difuso Difuso no volume tomos se movem pelas posies e interstcios do difuso relativamente lenta Difuso no contorno de gro energia de ativao baixa, tomos se movem facilmente porque o empacotamento dos tomos pobre Difuso na superfcie facilitada pela falta de restries dos tomos da superfcie. d) Tempo Longos tempos so necessrios para que um grande nmero de tomos possam difundir para produzir uma estrutura uniforme e) Temperatura Exerce a mais profunda influncia no coeficiente e taxa de difuso.

4.7 Difuso e processamento de materiais Crescimento de gro: a mais baixa energia total do material obtida pela reduo da rea total de contornos atraves do crescimento do gro. O crescimento do gro envolve o movimento do contorno e est relacionado energia de ativao necessria para o tomo pular atravs do contorno. Ligao por difuso: tcnica utilizada para unir materiais. O processo frequentemente utilizado ra unir metais reativos. Sinterizao: tratamento em alta temperatura que causa a unio de partculas e gradualmente reduz o volume de vazios entre elas. A taxa de sinterizao depende da temperatura, energia de ativao , do coeficiente de difuso e do tamanho das partculas. 5 Diagramas de Fases Binrios A compreenso de diagrama de fases para sistemas de ligas importante pois existe correlao entre a microestrutura e as propriedades mecnicas, o desenvolvimento da microestrutura est relacionado s caractersticas do seu diagrama de fases. Os diagramas de fases fornecem informaes sobre fenmenos da fuso, fundio, cristalizao entre outros. 5.1 Definies e conceitos tericos Componente: so metais puros e/ou compostos que compem uma liga. Exemplo: lato cobre-zinco os componentes so Cu e Zn soluto e solvente. Sistema: 1 pode-se referir a um corpo especfico de material (panela de fundio com ao fundido)

2 est relacionado srie de possveis ligas que consistem nos mesmos componentes. Por exemplo: sistema Fe-C. Soluo slida: pelo menos dois tipos diferentes de tomos, os tomos de soluto ocupam posies substitutivas ou intersticiais no reticulo cristalino do solvente, e a estrutura cristalina do solvente mantida. Limite de solubilidade: Quantidade mxima de tomos de soluto que se pode dissolver a uma determinada temperatura no solvente para formar uma soluo slida. A adio de soluto em excesso pode formar outra soluo slida ou outro composto que possui composio diferente. Exemplo: H2O + acar saturada

Uma vez que apenas dois componentes esto envolvidos, a soma das concentraes de qualquer composio ser igual a 100%. O limite de solubilidade a uma dada temperatura a composio que corresponde a interseco da dada temperatura com a curva do limite de solubilidade. Fases: poro homognea de um sistema que possui caractersticas fsicas e qumicas uniformes. Todo material puro considerado uma fase da mesma forma so todas as solues. Se mais de uma fase estiver presente em um sistema, cada fase ter suas propriedades individuais, existir uma fronteira separando-as atravs da qual h uma mudana descontnua e abrupta nas caractersticas. Sistema homogneo: sistema que possui apenas uma fase Sistema heterogneo: Sistema que possui mais de uma fase. Chamado tambm como mistura. Geralmente as fases podem interagir de tal maneira que a combinao das propriedades do sistema multifsico diferente de qualquer uma das fases individuais e mais atrativas. Microestrutura: em ligas metlicas caracterizada pelo nmero de fases presentes, pelas propores e pela maneira que esto distribudas e arranjadas. Depende de variveis tais como elementos de ligas presentes, suas composies e tratamento trmico. Equilbrio de fases: refletido pela constncia no que se refere as caractersticas da fase de um sistema em relao ao tempo. Metaestvel: a condio de equilbrio NUNCA completamente atingida, a taxa extremamente lenta.

Neste caso o material sofre alteraes muito pequenas e praticamente imperceptveis. 5.2 Diagrama de Fases em condio de equilbrio Mostram de maneira conveniente e concisa informaes sobre o controle microestrutural ou estrutura de fases dos sistemas de ligas. Freqentemente so chamados de diagrama de equilbrio de fases ou diagrama constitucional. Os diagramas de fases representam as relaes entre temperaturas e composio, e as quantidades de cada fase em condio de equilbrio. A presso e um parmetro que influencia na estrutura de fases, contudo, na prtica, a presso permanece constante na maioria das aplicaes, assim, os diagramas de fases correspondem a presso constante de 1 atm. 5.3 Sistema Isomorfo Binrio No o diagrama apresentado abaixo, ocorrem trs regies, ou campos, de fases diferentes aparecem no diagrama, um campo (alfa); um campo lquido (L) e um campo bifsico (+L). Cada regio definido pela fase ou fases que existem ao longo das faixas de temperatura e de composies delimitadas pelas curvas. Uma vez que apenas dois componentes esto envolvidos, a soma das concentraes de qualquer composio ser igual a 100%. O limite de solubilidade a uma dada temperatura a composio que corresponde a interseco da dada temperatura com a curva do limite de solubilidade. Fases: poro homognea de um sistema que possui caractersticas fsicas e qumicas uniformes. Todo material puro considerado uma fase da mesma forma so todas as solues. Se mais de uma fase estiver presente em um sistema, cada fase ter suas propriedades individuais, existir uma fronteira separando-as atravs da qual h uma mudana descontnua e abrupta nas caractersticas. Sistema homogneo: sistema que possui apenas uma fase Sistema heterogneo: Sistema que possui mais de uma fase. Chamado tambm como mistura. Geralmente as fases podem interagir de tal maneira que a combinao das propriedades do sistema multifsico diferente de qualquer uma das fases individuais e mais atrativas. Microestrutura: em ligas metlicas caracterizada pelo nmero de fases presentes, pelas propores e pela maneira que esto distribudas e arranjadas. Depende de variveis tais como elementos de ligas presentes, suas composies e tratamento trmico. Equilbrio de fases: refletido pela constncia no que se refere as caractersticas da fase de um sistema em relao ao tempo.

Metaestvel: a condio de equilbrio NUNCA completamente atingida, a taxa extremamente lenta. Neste caso o material sofre alteraes muito pequenas e praticamente imperceptveis.

5.3.1 Nomenclatura Sistemas isomorfos: completa solubilidade dos tomos tanto no estado lquido quanto no estado slido Solues slidas em ligas metlicas so designadas por letras gregas minsculas. A linha que delimita as fases L e L+ chamada de curva liquidus. Acima da qual s existe liquidos. A linha que delimita as fases L+ e chamada de curva solidus. Abaixo da qual s existe slido. As curvas solidus e liquidus se interceptam nas extremidades de composio; esses pontos correspondem ao ponto de fuso do metal puro. Para composies diferentes das componentes puros, o fenmeno de fuso ocorrer ao longo de uma faixa de temperatura entre as curvas solidus e liquidus.

5.4 Interpretao dos Diagramas de Fases Esto disponveis trs tipos de informao: fases presentes, composio dessas fases, frao de fases. Fases presentes: Localiza-se o ponto temperatura-composio no diagrama de fases e observa-se quais fases o campo de fases correspondente est identificada. Determinao da composio de fases: localiza-se o ponto temperaturacomposio. Para regies monofsicas a composio desta fase simplesmente a composio global da liga. Para regies bifsicas, imagina-se diversas linhas horizontais, uma a cada temperatura diferente, conhecidas como linhas de amarrao. Essas linhas se estendem atravs da regio bifsica e terminam nas curvas de fronteira de fase.

Para calcular as concentraes das duas fases usado o procedimento: 1. Constri-se uma linha de amarrao atravs da regio bifsica temperatura determinada. 2. Anotam-se as interseces da linha de amarrao com as fronteiras entre as fases em ambos os lados. 3. Trocam-se linhas perpendiculares linha de amarrao a partir dessas interseces at o eixo horizontal das composies, onde a composio de cada fase pode ser lida. CL: composio da fase lquida (Linha liquidus) CS: composio da fase slida (Linha solidus) Determinao das quantidades das fases: para regies monofsicas a frao da fase 1,0 ou 100%. Para regies bifsicas, a linha de amarrao deve ser usado em conjunto com a regra da alavanca. 1. Constri-se a linha de amarrao 2. A composio global da liga localizada sobre a linha de amarrao 3. A frao da fase calculada tomando-se o comprimento da linha de amarrao desde CG (composio global) at a fronteira entre fases com a outra fase e ento dividindo-se esse valor pelo comprimento total da linha de amarrao. 4. A frao da outra fase determinada de maneira semelhante. 5. Se for desejada porcentagem multiplica-se a frao encontrada por 100. 5.5 Sistemas Eutticos Binrios Ponto Invariante o encontro das curvas liquidus com a isoterma designado pela composio CE (composio euttica), TE (temperatura euttica). Envolvem trs fases diferentes. Ligas com composio CE ao passar por TE sofre reao euttica (euttico significa facilmente fundido). Reao euttica: uma fase lquida se transforma em duas fases slidas Reao eutetide: uma fase slida se transforma em outros dois slidos Reao perittica: uma fase slida se transforma em uma fase liquida e em outra fase slida

6 Transformaes de Fases em Metais A ampla aplicabilidade de materiais metlicos reside na larga faixa de propriedades mecnicas que eles possuem, que so acessveis administrao por vrios meios. Trs mecanismos tais como refinamento de gro, endurecimento por soluo e endurecimento por deformao alm das disponveis tcnicas adicionais nas quais as propriedades mecnicas so confiadas s caractersticas da microestrutura. O desenvolvimento de microestrutura em ligas tanto monofsicas quanto bifsicas ordinariamente envolve algum tipo de transformao de fase seja essa uma alterao na quantidade de fases e/ou carter das mesmas. 6.1 CONCEITOS BSICOS Uma variedade de transformaes de fases so importantes no processamento de materiais e, usualmente, elas envolvem alguma alterao da microestrutura. Podendo ser divididas em 3 classificaes, transformaes simples dependentes da difuso nas quais no existem nenhuma mudana nem no nmero nem na composio das fases presentes. Estas incluem solidificao de um metal puro, transformaes alotrpicas e recristalizao e crescimento de gro. Num outro tipo de transformao dependente da difuso, existe alguma alterao nas composies de fase e s vezes no nmero de fases presentes; a microestrutura final ordinariamente consiste de 2 fases. A reao eutetide, deste tipo. O terceiro tipo de transformao sem difuso, na qual uma fase metaestvel formada, por exemplo a transformao martenstica, que pode ser induzida em alguns aos. 6.2 A CINTICA DE REAES NO ESTADO SLIDO A maioria das transformaes no estado slido no ocorre instantaneamente porque obstculos impedem o curso da reao e a torna dependente do tempo. Por exemplo, a maioria das transformaes envolve a formao de pelo menos uma nova fase que tem uma composio e/ou estrutura cristalina diferente daquela da matriz, alguns rearranjos atmicos via difuso so requeridos. Um segundo tipo de impedimento formao de uma nova fase o aumento em energia livre associada com os contornos de fase que so criados entre as fases matriz e produto. Do ponto de vista microestrutural, o primeiro processo que acompanha uma transformao de fase a nucleao - a formao de partculas muito pequenas (s vezes submicroscpicas), ou ncleos, da nova fase, que so capazes de crescer. Posies favorveis para a formao destes ncleos so stios de imperfeio, especialmente contornos de gro. O segundo estgio o crescimento, no qual os ncleos aumentam de tamanho; durante este processo,

naturalmente, algum volume de fase matriz desaparece. A transformao termina se for permitido que o crescimento dessas partculas de nova fase prossiga at que a proporo em condies de equilbrio seja atingida. Como esperarado, a taxa de transformao uma importante considerao no tratamento trmico de materiais, cujo estudo denominado cintica. Com a maioria das investigaes cinticas, a frao de reao que ocorreu medida como uma funo do tempo, enquanto a temperatura mantida constante. Progresso da transformao usualmente certificado por exame microscpico ou pela medida de alguma propriedade fsica (tal como a condutividade eltrica) cuja magnitude distintiva da nova fase. Dados so plotados como uma frao de material transformado versus o logaritmo do tempo; uma curva em forma de S similar da figura representa o comportamento cintico tpico para a maioria das reaes no estado slido. Estgios de nucleao e crescimento esto indicados na figura.

T = temperatura absoluta A = uma constante independente da temperatura

Q = uma energia de ativao para a reao Pode-se recordar que o coeficiente de difuso tem a mesma dependncia em relao temperatura. Processos cujas taxas exibem esta correlao com a temperatura so s vezes denominados termicamente ativados. 6.3 TRANSFORMAES MULTIFSICAS Transformaes de fase podem ser produzidas em sistemas de ligas metlicas pela variao da temperatura, composio e presso externa; entretanto, mudanas de temperatura por meio de tratamentos trmicos so as mais convenientemente usadas para induzir transformaes de fases. Isto corresponde a cruzar um limite de fases no diagrama de fases composiotemperatura quando uma liga de dada composio aquecida ou resfriada. Durante uma transformao de fase, uma liga caminha em direo ao estado de equilbrio que caracterizada pelo diagrama de fases em termos das fases produto, suas composies e quantidades relativas. A maioria das transformaes requer algum tempo finito para se completar e a velocidade, ou taxa, s vezes importante na correlao entre o tratamento trmico e o desenvolvimento de microestrutura. Uma limitao dos diagramas de fase sua incapacidade de indicar o perodo de tempo requerido o equilbrio. A taxa de aproximao do equilbrio para sistemas slidos to lenta que estruturas de equilbrio verdadeiro so raramente alcanadas. Condies de equilbrio so mantidas somente se aquecimento ou resfriamento realizado em taxas extremamente lentas e impraticveis. Para transformaes diferentes daquelas previstas no em um resfriamento em equilbrio, as transformaes so deslocadas para temperaturas mais baixas do que aquelas indicadas pelo diagrama de fases, para o caso de aquecimento o deslocamento se d para temperaturas mais altas. Estes fenmenos so denominados super-resfriamento e super-aquecimento, respectivamente. O grau de cada um depende da taxa de variao da temperatura; quanto mais rpido o resfriamento ou o aquecimento, tanto maior o super-resfriamento ou o super-aquecimento. Para muitas ligas tecnologicamente importantes, o estado (ou microestrutura) preferido(a) um(a) metaestvel, intermedirio(a) entre os estados inicial e o de equilbrio; ocasionalmente, uma estrutura bem deslocada do equilbrio desejada. Torna-se assim imperativo investigar a influncia de tempo sobre as transformaes de fase. Esta informao cintica de maior valor do que um conhecimento do estado final de equilbrio. 7 Sistema Fe-C Este possivelmente o mais importante sistema de ligas binrias. Tanto os aos quanto os ferros-fundidos, principais materiais estruturais em todas as culturas tecnologicamente avanadas, so essencialmente ligas ferro-carbono.

7.1 - DIAGRAMA DE FASE FERRO-CARBETO DE FERRO (Fe-Fe3C) Parte do diagrama de fase ferro-carbono apresentada na figura. Ferro puro, no aquecimento, experimenta duas transformaes de fases antes de se fundir. temperatura ambiente a forma estvel, chamada ferrita, ou ferro , tem uma estrutura cristalina CCC. A ferrita experimenta uma transformao polimrfica austenita com estrutura CFC, ou ferro , a 912C. Esta austenita persiste at 1394C, temperatura na qual a austenita se reverte para a estrutura CCC conhecida como ferrita , que finalmente se funde a 1538C. Todas estas mudanas so visveis ao longo do eixo vertical esquerdo do diagrama de fases.

O eixo de composio na figura se estende apenas at 6,70%C, em peso; nesta concentrao o composto intermedirio carbeto de ferro, ou cementita (Fe3C), formada, sendo ela representada por uma linha vertical no diagrama de fases. Assim o sistema ferro-carbono pode ser dividido em duas partes: uma poro rica em ferro, como no diagrama e a outra (no mostrada) para composies entre 6,70%C e 100%C em peso (grafita pura). Na prtica, todos os aos e ferros-fundidos tm teores de carbono menores do que 6,70%C, em peso; portanto, ns consideramos apenas o sistema ferro - carbeto de ferro. A figura seria mais apropriadamente denominada diagrama de fases Fe-Fe3C, de vez que Fe3C agora considerado como sendo um componente. Conveno e convenincia ditam que composio seja ainda expressa em "%C em peso" em vez de "%Fe3C em peso"; 6,70%C corresponde a 100%Fe3C. Carbono uma impureza intersticial em ferro e forma uma soluo slida com cada uma das ferritas e e tambm com austenita, como indicado pelos campos monofsicos , e . Na ferrita , apenas pequenas concentraes de carbono so solveis; a mxima solubilidade 0,022%C em peso a 727C. A limitada solubilidade explicada pela forma e tamanho das posies intersticiais, que torna difcil acomodar os tomos de carbono. Mesmo embora presente em relativamente baixas concentraes, o carbono afeta significativamente as propriedades mecnicas da

ferrita. Esta fase relativamente macia, pode ser tornada magntica em temperaturas inferiores a 768C e tem uma densidade de 7,88g.cm-3.

A austenita, ou a fase do ferro, quando em ligada somente com carbono, no estvel abaixo de 727C, como indicado no diagrama. A mxima solubilidade de carbono na austenita, 2,11%C em peso a 1148C. Esta solubilidade aproximadamente 100 vezes maior do que a mxima para a ferrita , de vez que as posies intersticiais CFC tm formato tal que quando os tomos de carbono os enchem, as deformaes impostas sobre os tomos vizinhos de ferro so muito menores. Transformaes de fase envolvendo austenita so muito importantes no tratamento trmico dos aos. A austenita uma fase no magntica. A ferrita virtualmente igual ferrita , exceto para a faixa de temperaturas na qual cada uma existe, a ferrita estvel em temperaturas relativamente altas, ela no de nenhuma importncia tecnolgica e no mais discutida aqui. Cementita (Fe3C) se forma quando o limite de solubilidade de carbono no ferro excedido abaixo de 727C (para composies dentro da regio de fase + Fe3C). Como indicado no diagrama, Fe3C tambm coexistir com a fase entre 727e 1148C. Mecanicamente, cementita muito dura e frgil; a resistncia de alguns aos melhorada pela sua presena. Cementita um material metaestvel; isto , ela permanescer como um composto indefinidamente temperatura ambiente. Mas se for aquecida at uma temperatura entre 650 e 700C por vrios anos, ela ir mudar gradualmente ou transformar-se em ferro e carbono. Assim o diagrama de fases deste sistema no um de equilbrio verdadeiro porque cementita no um composto de equilbrio. Entretanto, a decomposio da cementita muito lenta, virtualmente todo o carbono do ao estar na forma de Fe3C em vez de grafita e o diagrama de fase ferro-carbeto de ferro , para todos os propsitos prticos, vlido. Nota-se que existe um euttico para o sistema ferro-carbeto de ferro, em 4,30%C, em peso, e 1148C. O lquido se solidifica para formar as fases austenita e cementita. Naturalmente, resfriamento subsequente at temperatura

ambiente promover mudanas de fase. Pode-se notar que existe um ponto invariante eutetide numa composio de 0,77%C, em peso, e numa temperatura de 727C. Com o resfriamento, a fase slida transformada a ferro e cementita. As mudanas de fase eutetide so muito importantes, sendo fundamentais para o tratamento trmico de aos. Ligas ferrosas so aquelas nas quais ferro o principal componente, mas carbonos bem como outros elementos de liga podem estar presentes. No esquema de classificao de ligas ferrosas baseadas em teor de carbono, existem 3 tipos: ferro, ao e ferro fundido. Ferro comercialmente puro contm menos do que 0,008%C, em peso, e, a partir do diagrama de fases, composto quase que exclusivamente de fase ferrita temperatura ambiente. As ligas ferrocarbono que contm entre 0,008 e 2,11%C, em peso, so classificadas como aos. Na maioria dos aos a microestrutura consiste das fases tanto quanto Fe3C. No resfriamento at a temperatura ambiente, uma liga dentro desta faixa de composio deve passar pelo campo da fase . Embora um ao possa conter tanto quanto 2,11%C, em peso, na prtica, raramente as concentraes de carbono excedem 1,0%C, em peso. Ferros fundidos so classificados como ligas ferrosas que contm entre 2,11 e 6,70%C, em peso. Entretanto, ferros fundidos comerciais normalmente contm menos do que 4,5%C, em peso. 7.2 DIAGRAMAS DE TRANSFORMAES ISOTRMICAS Perlita Considere uma reao eutetide ferro-carbeto de ferro, (0,76%C em peso) (0,022%C em peso) + Fe3C(6,70%C em peso), que fundamental ao desenvolvimento de microestrutura de aos. No resfriamento, austenita, tendo uma concentrao de carbono intermediria, transforma-se a uma fase ferrita, tendo um muito menor teor de carbono e tambm cementita, com muito maior concentrao de carbono. Para tomos de carbono segregarem seletivamente na fase cementita, difuso necessria. Quando a perlita formada tomos de carbono se difundem para longe das regies de ferrita e dirigindo-se para as camadas de cementita, para dar uma concentrao de 6,70%C em peso, medida em que a perlita se estende do contorno de gro para o dentro dos gros de austenita no reagida. A perlita em camadas se forma porque os tomos de carbono precisam se difundir apenas distncias mnimas com esta estrutura. Temperatura desempenha um importante papel na transformao da austenita perlita. A dependncia em relao temperatura de uma liga ferro-carbono de composio eutetide conforme indicado na figura, que apresenta curvas em forma de S da porcentagem de transformao versus o logartmo do tempo em 3 diferentes temperaturas. Para cada curva, dados foram coletados aps resfriamento rpido de uma amostra composta de 100% de austenita temperatura indicada; aquela temperatura foi mantida constante atravs de todo o curso da reao.

Um modo mais conveniente de representar a dependncia desta transformao tanto em relao ao tempo quanto em relao temperatura a poro da base da figura. Aqui, os eixos vertical e horizontal so, respectivamente, temperatura e o logaritmo do tempo. Duas curvas contnuas so apresentadas; uma representa o tempo requerido em cada temperatura para o incio ou partida da transformao; a outra para a concluso da transformao. A curva tracejada corresponde a 50% da transformao completa. Estas curvas foram geradas a partir de uma srie de grficos da porcentagem de transformao versus o logaritmo do tempo tomado ao longo de uma faixa de temperatura. A curva em forma de S (para 675C), na poro superior da figura, ilustra como a transferncia de dados feita.

Na interpretao destes diagramas, note-se primeiro que a temperatura eutetide (727C) indicada por uma linha horizontal; em temperaturas acima da eutetide e para todos os tempos, apenas austenita existir. A transformao austenita--perlita ocorrer apenas se uma liga for super-resfriada at abaixo da temperatura eutetide; como indicado pelas curvas, os tempos necessrios para a transformao comear e depois terminar dependem da temperatura. As curvas de incio e trmino so aproximadamente paralelas e elas se aproximam da linha eutetide assintoticamente. esquerda da curva de incio de transformao, apenas austenita (que instvel)

estar presente, enquanto que direita da curva de trmino, existir apenas perlita. No meio, austenita se encontra em processo de transformao perlita e, assim, ambos os microconstituintes estaro presentes. A taxa de transformao numa particular temperatura inversamente proporcional ao tempo requerido para que a reao ocorra at 50% de toda a transformao. Isto , quanto menor for este tempo, tanto maior a taxa de transformao. Assim, a partir da figura, em temperaturas abaixo da temperatura eutetide (correspondente a um ligeiro super-resfriamento) muito longos tempos (da ordem de 105 s) so requeridos para 50% de transformao e, portanto, a taxa de reao muito lenta. A taxa de transformao aumenta com o decrscimo da temperatura de tal maneira que a 540C apenas 3 s so requeridos para a reao alcanar 50% da transformao completa. Este comportamento taxa-temperatura uma aparente contradio com a cintica da reao em estado slido que diz que a taxa de reao aumenta em funo da temperatura segundo uma funo de Arrhenius. A razo para esta disparidade que ao longo desta faixa de temperatura (isto , 540 a 727C), a taxa de transformao controlada pela taxa de nucleao de perlita e a taxa de nucleao decresce com a elevao da temperatura (isto , menos super-resfriamento). Vrias restries so impostas ao uso de diagramas tais como os da figura apresentada. Primeiro, este grfico particular vlido apenas para uma liga ferrocarbono de composio eutetide; para outras composies, as curvas tero diferentes configuraes. Alm disso, estes grficos so precisos apenas para transformaes isotrmicas; assim, grficos tais como aqueles da figura so referidos como diagramas de transformaes isotrmicas, ou s vezes como grficos tempo-temperaturatransformao ( ou T-T-T ). Uma curva real de tratamento trmico isotrmico (ABCD) superposto sobre o diagrama de transformao isotrmica para um liga ferro-carbono na figura. Um resfriamento muito rpido de austenita para uma temperatura indicado pela linha aproximadamente vertical AB e o tratamento isotrmico a esta temperatura est representado pelo segmento horizontal BCD. Naturalmente, o tempo aumenta da esquerda para a direita ao longo desta linha. A transformao da austenita perlita comea na interseo, ponto C (aps aproximadamente 3,5 s) e se completou ao redor de 15 s, correspondendo ao ponto D. A figura tambm mostra microestruturas esquemticas em vrios tempos durante o progresso da reao.

A razo entre as espessuras das camadas de ferrita e de cementita na perlita aproximadamente 8 para 1.

Entretanto, a espessura absoluta da camada depende da temperatura na qual a transformao isotrmica foi deixada ocorrer. Em temperaturas baixo da temperatura eutetide, camadas relativamente espessas das fases tanto de ferrita quanto de Fe3C so produzidas; esta microsestrutura chamada perlita grosseira e a regio na qual ela se forma est indicada no lado direito da curva de trmino. Com o decrscimo da temperatura, as camadas se tornam progressivamente mais finas porquanto a taxa de difuso do carbono decresce. A estrutura em camadas finas produzida na vizinhana de 540C denominada perlita fina. Fotomicrografias das perlitas grosseira e fina para uma composio eutetide so mostradas na figura.

Para ligas ferro-carbono de outras composies, uma fase proeutetide (ou ferrita ou cementita) coexistir com a perlita. Assim curvas adicionais correspondendo a uma transformao proeutetide tambm devem ser includas no diagrama de transformao isotrmica. Uma poro de um tal diagrama para uma liga de 1,13%C em peso mostrada na figura.

Bainita Em adio perlita, existem outros microconstituintes que so produtos da transformao da austenita; um destes chamado bainita. A microestrutura da bainita consiste das fases ferrita e cementita e, assim, processos difusionais se encontram envolvidos em sua formao. Bainita forma-se como agulhas ou placas, dependendo da temperatura da transformao; os detalhes microestruturais da bainita so to finos que sua resoluo possvel apenas usando

microscopia eletrnica. A dependncia da transformao da bainita em relao ao tempo pode tambm ser representada no diagrama de transformao isotrmica. Ela ocorre em temperaturas abaixo daquelas nas quais a perlita se forma; curvas de incio, trmino e de meia-reao so extenses daquelas para a transformao perltica, como mostrado na figura, o diagrama de transformao isotrmica para uma liga ferro-carbono de composio eutetide, que foi estendida para temperaturas mais baixas. Todas as 3 curvas tm forma de C e tm um "joelho" no ponto N, onde a taxa de transformao mxima. Como se pode notar, enquanto a perlita se forma acima do joelho - isto , dentro da faixa de temperatura que vai aproximadamente de 540 a 727C - a bainita o produto da transformao para tratamentos isotrmicos em temperaturas entre cerca de 215 e 540C. As transformaes perlticas e baintcas so realmente competitivas entre si e uma vez alguma poro de uma liga tenha se transformado ou perlita ou bainita, transformao para o outro microconstituinte no possvel sem o reaquecimento para formar a austenita.

Cementita Globulizada (Esferoidita) Se um ao tendo microestruturas quer perltica quer baintica for aquecido at uma temperatura abaixo da temperatura eutetide e mantido durante um tempo suficientemente longo por exemplo, a cerca de 700C durante 18 a 24 horas - outra microestrutura se formar. Ela chamada cementita globulizada. Em vez de lamelas alternadas de ferrita e cementita (perlita) ou de partculas alongadas de Fe3C numa matriz de ferrita (bainita), a fase Fe3C aparece como partculas esferides embutidas numa matriz contnua de fase . Esta transformao tem ocorrido por uma adicional difuso de carbono sem nenhuma mudana na composio ou quantidades relativas de fases ferrita e cementita. A fora motriz para esta transformao a reduo da rea da interface fase - Fe3C. A cintica da formao de cementita globulizada no est includa nos diagramas de transformao isotrmica.

Martensita Ainda um outro microconstituinte ou fase chamado martensita formado quando ligas ferrocarbono austenitizadas (ou resfriadas) at uma relativamente baixa temperatura (na vizinhana da temperatura ambiente). Martensita uma estrutura monofsica de noequilbrio que resulta a partir de uma transformao da austenita sem difuso. Ela pode ser pensada como um produto de transformao que competitivo com perlita e bainita. A transformao martenstica ocorre quando a taxa de resfriamento rpido suficiente para prevenir a difuso do carbono. Qualquer difuso seja qual for resultar na formao das fases ferrita e cementita. A transformao martenstica no bem entendida. Entretanto, grandes nmeros de tomos experimentam movimentos cooperativos, no sentido de que existe apenas um pequeno deslocamento de cada tomo em relao aos seus vizinhos. Isto ocorre de tal maneira que a austenita CFC experimenta uma transformao polimrfica para uma martensita tetragonal de corpo centrado (TCC). Uma clula unitria desta estrutura cristalina simplesmente um cubo de corpo centrado que foi alongado ao longo de uma de suas dimenses; esta estrutura distintamente diferente daquela da ferrita CCC. Todos os tomos de carbono permanecem como impurezas intersticiais na martensita; como tal, os tomos constituem uma soluo slida que capaz de rapidamente se transformar a outras estruturas se aquecida at temperaturas nas quais taxas de difuso se tornam apreciveis. Muitos aos, entretanto, retm sua estrutura martenstica quase indefinidamente temperatura ambiente. Para esta clula unitria tetragonal, c>a. A transformao martenstica no , entretanto, exclusiva de ligas ferro-carbono. Ela encontrada em outros sistemas e caracterizada, em parte, pela transformao sem difuso. Uma vez que a transformao martenstica no envolve difuso, ela ocorre quase que instantaneamente; os gros de martensita se nucleiam e crescem numa taxa muito rpida. Assim a taxa de transformao martenstica, para todos os propsitos prticos, independente do tempo. Gros de martensita tomam uma aparncia em forma de placa (chapa) ou de agulha. A fase branca na micrografia muito provavelmente austenita (austenita retida) que no se transformou durante o rpido resfriamento. Como j foi mencionado anteriormente, martensita bem como outros microconstituintes (por exemplo, perlita) podem coexistir.

Sendo uma fase de no-equilbrio, martensita no aparece no diagrama de fase ferro-carbeto de ferro. A transformao austenita--martensita , entretanto, representada no diagrama de transformao isotrmica. Uma vez que a transformao martenstica sem difuso e instantnea, ela no est apresentada neste diagrama semelhantemente s reaes perltica e baintica. O comeo desta transformao est representado por uma linha horizontal designada M (incio) figura. Duas outras linhas horizontais e tracejadas, rotuladas como M(50%) e M(90%), indica porcentagens da transformao austenita-martensita. As temperaturas nas quais estas linhas esto localizadas variam com a composio da liga mas, devem ser relativamente baixas porque difuso de carbono deve virtualmente inexistir. O carter horizontal e linear destas linhas indica que a transformao martenstica independente do tempo; ela uma funo apenas da temperatura at a qual a liga temperada ou rapidamente resfriada. Uma transformao deste tipo denominada uma transformao a trmica.

Considere uma liga de composio eutetide que muito rapidamente resfriada a partir de uma temperatura acima de 727C para 165C. A partir do diagrama de transformao isotrmica pode-se notar que 50% da austenita se transformar imediatamente martensita; e durante o tempo em que a temperatura for mantida constante, no haver nenhuma transformao adicional. A presena de elementos de liga que no o carbono (por exemplo, Cr, Ni, Mo e V) pode causar significativas mudanas nas posies e forma das curvas nos diagramas de transformao isotrmica. Estas incluem (1) deslocamento do joelho da transformao austenita/perlita para maiores tempos (e tambm um joelho da fase proeutetide, se tal existir), e (2) a formao de um separado joelho da bainita. Estas alteraes podem ser observadas comparando-se figuras, que so os diagramas de transformaes isotrmicas para aos carbono e aos liga, respectivamente.

Aos nos quais o carbono o principal elemento so denominados aos carbono, enquanto que aos ligados contm apreciveis concentraes de outros elementos. 7.3 - DESENVOLVIMENTO DE MICROESTRUTURAS EM LIGAS FERRO-CARBONO Muitas microestruturas podem ser produzidas em aos e suas correlaes com o diagrama de fases ferro-carbeto de ferro depende tanto do teor de carbono quanto do tratamento trmico. Considera-se um resfriamento muito lento de aos, no qual equilbrio continuamente mantido. Mudanas de fase que ocorrem na passagem a partir da regio para dentro do campo de fase + Fe3C so relativamente complexas. Considere, por exemplo, uma liga de composio eutetide (0,77%C, em peso) quando ela resfriada a partir de uma temperatura situada na regio da fase digamos, 800C, movendo-se para baixo ao longo da linha vertical. Inicialmente, a liga composta inteiramente da fase austenita, tendo uma composio de 0,77%C, em peso, e a correspondente microestrutura, so

indicadas na figura.

Quando a liga for resfriada, no haver nenhuma mudana at que se atinja a temperatura eutetide (727C). Ao resfriar a austenita se transforma, austenita contendo 0,77%C, em peso, decompe-se para formar ferrita, que tem muito menor concentrao de carbono (0,022%C, em peso), e Fe3C, com um muito maior teor de carbono (6,7%C, em peso). Esta mudana de fase deve envolver a difuso de carbono porque todas as 3 fases devem ter diferentes composies. A microestrutura para este ao eutetide que lentamente resfriado atravs da temperatura eutetide similar quela para uma liga de composio euttica, isto , camadas alternadas de lamelas das 2 fases ( e Fe3C) que se formam simultaneamente durante a transformao. Neste caso, a espessura relativa da camada aproximadamente 8 para 1. Esta microestrutura chamada perlita porque ela tem a aparncia de uma madreprola quando vista sob o microscpio a baixas ampliaes. A perlita existe como gros, s vezes denominados "colnias"; dentro de cada colnia as camadas esto orientadas em essencialmente a mesma direo, que varia de uma colnia para uma outra. As espessas camadas claras so da fase ferrita, e a fase cementita aparece como lamelas finas em sua maioria aparecendo escuras. Muitas camadas de cementita so to finas que limites entre fases adjacentes so indistinguveis. Mecanicamente, perlita tem propriedades intermedirias entre a ferrita dtil e macia e a cementita dura e frgil.

Este arranjo alternado de camadas de Fe3C se forma porque para esta estrutura, apenas relativamente pequenos comprimentos de passos de difuso de carbono so requeridos. Alm disso, subseqente resfriamento da perlita produzir relativamente insignificantes mudanas microestruturais. 7.4 Ligas Hipoeutetides Considere uma composio Co para o lado esquerdo do ponto eutetide, entre 0,022 e 0,77%C, em peso; uma tal liga denominada uma liga hipoeutetide (menos do que eutetide). O resfriamento de uma liga desta composio est representado pelo movimento para baixo ao longo da linha vertical. A cerca de 875C, a microestrutura consistir inteiramente de gros da fase , como mostrado esquematicamente na figura. Ao continuar se resfriando, 775C, que est dentro da regio de fase + , ambas estas fases coexistiro como na microestrutura. A maioria das pequenas partculas se forma ao longo dos contornos dos gros originais.

Enquanto se resfria uma liga atravs da regio de fase + , a composio da fase ferrita muda com a temperatura ao longo do limite de fase -(+), linha MN, se tornando ligeiramente mais rica em carbono. Por outro lado, a mudana em composio da austenita mais acentuada, procedendo-se ao longo do limite (+)-, linha MO, medida em que a temperatura reduzida. Resfriamento at acima do ponto eutetide mas ainda na regio de +, produzir um aumento na frao da fase e uma microestrutura similar quela mostrada; as partculas de tero crescido e se tornado maior. Quando a temperatura reduzida logo abaixo da temperatura eutetide, toda a fase que estava presente na temperatura Te se transformar perlita. No haver virtualmente nenhuma mudana na fase que existia ao cruzar a temperatura eutetide - ela estar normalmente presente como uma fase matriz contnua circundando as isoladas colnias de perlita. A microestrutura se aparentar como a correspondente na figura. Assim, a fase ferrita estar presente tanto na perlita quanto tambm na forma da fase que se formou durante o resfriamento atravs da regio de fase +. A ferrita que est presente na perlita chamada ferrita eutetide, enquanto que a outra, que se formou acima de Te , denominada ferrita proeutetide.A fotomicrografia de um ao de 0,38%C, em peso; regies claras e grandes correspondem ferrita proeutetide. Para perlita, o espaamento entre as camadas e Fe3C varia de gro a gro.

7.5 Ligas Hipereutetides Anlogas transformaes e microestruturas resultam para ligas hipereutetides, aquelas contendo entre 0,77 e 2,11%C, em peso, que so resfriadas a partir de temperaturas situadas dentro do campo de fase . Considere-se uma liga de composio C1 na figura que, no resfriamento, se move para baixo ao longo da linha. Num ponto somente a fase estar presente com uma composio de C1; a microestrutura parecer tal como mostrada, tendo apenas gro . No resfriamento para dentro do campo de fase + Fe3C, a fase cementita comear se formar ao longo dos contornos de gro originais. Esta cementita chamada cementita proeutetide - aquela que se forma antes da reao eutetide. Naturalmente, a composio da cementita permanece constante (6,70%C, em peso) enquanto a temperatura muda. Entretanto, a composio da fase austenita se mover ao longo da linha PO em direo ao ponto eutetide. medida em que a temperatura abaixada atravs do ponto eutetide, toda a austenita remanescente de composio eutetide convertida a perlita; assim, a microestrutura consiste de perlita e cementita proeutetide como microconstituintes. Na fotomicrografia de um ao de 1,4%C, em peso, nota-se que a cementita proeutetide aparece clara. De vez que ela tem muito da mesma aparncia daquela da ferrita proeutetide, existe alguma dificuldade em distinguir entre aos hipoeutetides e hipereutetides com base na microestrutura.