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Curso de Inspetor de EquipamentosCurso de Inspetor de EquipamentosMetalurgiaMetalurgia

Fabio Alves Fabio Alves –– Eng. MetalEng. Metalúúrgicorgico

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Curso de Inspetor de Equipamentos - Metalurgia

SUMSUMÁÁRIORIO1.1. IntroduIntroduçção ão àà metalurgia;metalurgia;

2.2. Sistemas cristalinos;Sistemas cristalinos;

3.3. Ligas metLigas metáálicas;licas;

4.4. Difusão;Difusão;

5.5. NucleaNucleaçção e crescimento;ão e crescimento;

6.6. Defeitos cristalinos;Defeitos cristalinos;

7.7. Diagramas de fase;Diagramas de fase;

8.8. Curvas de resfriamento;Curvas de resfriamento;

9.9. Propriedades mecânica;Propriedades mecânica;

10.10.Tratamentos tTratamentos téérmicos;rmicos;

11.11.Mecanismos de endurecimento.Mecanismos de endurecimento.

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CONCEITOS BÁSICOS

CONCEITOS BÁSICOS

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INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

O que é Metalurgia?

Por que o inspetor de equipamento deve conhecer os princípios básicos de

metalurgia?

Inspetor de Equipamentos - MetalurgiaInspetor de Equipamentos - Metalurgia

Metalurgia designa um conjunto de

procedimentos e técnicas para extração,

fabricação, fundição e tratamento dos metais

e suas ligas. (fonte: wikipédia)

Elaborado por Elaborado por EngEng Fabio AlvesFabio Alves

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Alguns exemplos de aplicação da metalurgia ...

Inspetor de Equipamentos - MetalurgiaInspetor de Equipamentos - MetalurgiaElaborado por Elaborado por EngEng Fabio AlvesFabio Alves

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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.


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Podem ser classificadas como:


LIGALIGAÇÇÕES QUÕES QUÍÍMICASMICAS

Ligações Primárias: interações fortes, intramoleculares (covalente,

iônica, metálica)

Ligações Secundárias: interações fracas, intermoleculares (dipolos

transitórios e permanentes - Van der Waals, pontes de hidrogênio)


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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


LIGALIGAÇÇÃO IÔNICAÃO IÔNICA


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LIGALIGAÇÇÃO IÔNICAÃO IÔNICA


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Si Si

Si

Si

SiSi Si Si

O

O O

O


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).


LIGALIGAÇÇÃO COVALENTEÃO COVALENTE

Si SiO2


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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.


LIGALIGAÇÇÃO METÃO METÁÁLICALICA

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


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SISTEMAS CRISTALINOSSISTEMAS CRISTALINOSOs 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).


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SISTEMAS CRISTALINOSSISTEMAS CRISTALINOS

Reticulados espaciais (Rede de

Bravais)


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Dos 7 sistemas cristalinos7 sistemas cristalinospodemos identificar 14 tipos 14 tipos

diferentes de cdiferentes de céélulas unitlulas unitááriasrias,

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.


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Eixo cristalinos e parâmetros lineares e angulares


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CCÚÚBICO DE CORPO CENTRADO (CCC)BICO 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).


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CCÚÚBICO DE FACE CENTRADO (CFC)BICO 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


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CCÚÚBICO DE FACE CENTRADO (CFC)BICO DE FACE CENTRADO (CFC)


Célula unitária CFC

Planos supercompactos: 4 (CFC)

Planos supercompactos: 0 (CCC)

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.


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HEXAGONAL COMPACTO (HC)HEXAGONAL COMPACTO (HC)


São exemplos de metais com estrutura hexagonais compactos: Zn, Sn, Mg.


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DEFINIDEFINIÇÇÕESÕESLIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICAS

“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.


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SOLUSOLUÇÇÕESÕESLIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICAS

Chama-se matriz à estrutura cristalina do metal considerado, que édenominado 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.


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LIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICAS

SoluSoluçção São Sóólida Intersticiallida Intersticial SoluSoluçção São Sóólida lida SubstitucionalSubstitucional

Ex.: C, N, O no aço Ex.: Cr, Ni, Mo no aço

SOLUSOLUÇÇÕES SÕES SÓÓLIDASLIDAS


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LIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICASSOLUSOLUÇÇÕES SÕES SÓÓLIDASLIDAS

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.


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LIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICASSOLUSOLUÇÇÕES SÕES SÓÓLIDASLIDAS

Acomodação dos átomos de soluto em soluções sólida.

SoluSoluçção são sóólida intersticial lida intersticial

CompressivoCompressivoCompressivoCompressivoTrativoTrativo

SoluSoluçção são sóólida substitucional lida substitucional

Campo de Tensões


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LIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICASSOLUSOLUÇÇÕES SÕES SÓÓLIDAS LIDAS -- INTERSTINTERSTÍÍCIOCIO

InterstInterstíício cio octaoctaéédricodrico

Estrutura CFCEstrutura CFC

InterstInterstíício tetracio tetraéédricodrico

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


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Estrutura CCCEstrutura CCC


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


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Estrutura HCEstrutura HC



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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


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LIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICAS


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LIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICASLIGAS METLIGAS METÁÁLICASLICAS

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


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CONCEITOSCONCEITOSDIFUSÃODIFUSÃO

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.

A movimentação dos átomos se dá no sentido de equalizar a solução sólida, minimizar o gradiente.


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CONCEITOSCONCEITOSDIFUSÃODIFUSÃO

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 difusãodifusão e esta seresta seráá tanto maior quanto tanto maior quanto

maior for a temperaturamaior for a temperatura.


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MECANISMOSMECANISMOSDIFUSÃODIFUSÃO

O mecanismo de difusão atômica pode ser:

Substitucional - onde um átomo em solução sólida substitucional pula

para a lacuna vizinha;

Intersticial - onde um átomo em solução sólida intersticial pula de um

interstício para outro.

Para ocorrer a movimentação atômica são necessárias :

Deve haver espaço livre adjacente;

O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações

químicas e causar uma distorção no reticulado cristalino.


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

SubstitucionalSubstitucional


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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.

InterticialInterticial

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


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LEIS DE FICKLEIS DE FICKDIFUSÃODIFUSÃO

11ªª Lei de Lei de FickFick:: relaciona o fluxo de átomos do metal considerado com o

gradiente de concentração deste metal na liga.

A intensidade da difusão é medida pelo fluxo de fluxo de áátomostomos (J), que é a resultante do número de átomos que cruza através de uma seção com determinada área durante um certo tempo

J = - D (dc/dx),

onde D é o coeficiente de difusão ou difusividade


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22ªª Lei de Lei de FickFick: estabelece que a variação da concentração com o tempo, num

elemento de volume contendo esta seção é calculada por


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Interpretação do fenômeno descrito pela 2ª Lei de Fick.

Permite determinar a variação de concentração com o tempo.


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FATORES QUE AFETAM O COEFICIENTE DE DIFISÃOFATORES QUE AFETAM O COEFICIENTE DE DIFISÃODIFUSÃODIFUSÃO

1. Temperatura1. Temperatura

O coeficiente de difusão aumenta exponencialmente com a T, de acordo com a Lei de Arrhenius


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FATORES QUE AFETAM O COEFICIENTE DE DIFISÃOFATORES QUE AFETAM O COEFICIENTE DE DIFISÃODIFUSÃODIFUSÃO

2. Contornos de grão2. 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. L3. Lííquidos x Squidos x Sóólidoslidos

O coeficiente de difusão nos líquidos é algumas ordens de grandeza maior que nos sólidos

4. 4. ÁÁtomos tomos substitucionaissubstitucionais x intersticiaisx intersticiais

Os átomos intersticiais difundem mais rapidamente do que os substitucionais


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Energias de ativação para a autodifusão de alguns metais puros

DIFUSÃODIFUSÃO

4602155 – 2540 CCC2600Molibdênio240808 – 884 CCC1530Ferro-α293900 – 1200 CFC1452Níquel196700 – 990 CFC1083Cobre165400 – 610 CFC660Alumínio91,6240 – 418HC419Zinco

Energia de Ativação (kJ/mol)

T estudadas (oC)Estruturacristalina

T de fusão

(oC)Metal


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APLICAAPLICAÇÇÕESÕESDIFUSÃODIFUSÃO


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NUCLEANUCLEAÇÇÃOÃO

NUCLEANUCLEAÇÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOSÃO E CRESCIMENTO DE GRÃOS

No estado líquido os átomos que constituem os metais nãonão 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.


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CONCEITO DE GRÃOSCONCEITO DE GRÃOS

Como a temperatura continua a ser diminuComo a temperatura continua a ser diminuíída, os nda, os núúcleos formados crescem e cleos formados crescem e

novos nnovos núúcleos são formados. O crescimento de cada ncleos são formados. O crescimento de cada núúcleo individualmente gera cleo individualmente gera

partpartíículas sculas sóólidas chamadas delidas chamadas de grãos.grãos.



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GRÃOS E OS CONTORNOS DE GRÃOSGRÃOS 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.



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TAMANHO DE GRÃOTAMANHO DE GRÃOUm dos efeitos do tamanho de grão Um dos efeitos do tamanho de grão éé influenciar na resistência dos materiais.influenciar na resistência dos materiais.

Em baixas temperaturas, quanto menor o tamanho de grão (TG) maiEm baixas temperaturas, quanto menor o tamanho de grão (TG) maior a or a

resistência mecânica. Jresistência mecânica. Jáá em altas temperatura, quanto maior o TG maior a em altas temperatura, quanto maior o TG maior a

resistência.resistência.

Por esse motivo, as estruturas dos metais e ligas são freqPor esse motivo, as estruturas dos metais e ligas são freqüüentemente entemente

classificadas de acordo com o tamanho do grão.classificadas de acordo com o tamanho do grão.


Padrão ASTM para tamanho de grão


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TAMANHO DE GRÃOTAMANHO 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


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FORMAFORMAÇÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINAÃO DA ESTRUTURA CRISTALINADEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS

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.


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DEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOSFORMAFORMAÇÇÃO DA ESTRUTURA CRISTALINAÃO 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

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

Crescimento dos grãos com a perda de calor

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


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CLASSIFICACLASSIFICAÇÇÃO DOS DEFEITOSÃO DOS DEFEITOSDEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS

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:

Defeitos pontuais;Defeitos lineares;Defeitos de superfície (ou

bidimensionais ou planares);Defeitos volumétricos.


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DEFEITOS PONTUAISDEFEITOS PONTUAISDEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS

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.


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DEFEITOS LINEARESDEFEITOS LINEARESDEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS

Os cristais podem apresentar defeitos alinhados e contínuos em sua

estrutura, dando origem às imperfeições de linha. Os defeitos de linha, também

chamados de discordânciasdiscordâncias 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.


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Discordância em CunhaDiscordância em Cunha


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Discordância em CunhaDiscordância em Cunha


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Discordância em HDiscordância em Héélicelice


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Discordância em MistaDiscordância em Mista


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DEFEITOS DE SUPERFDEFEITOS DE SUPERFÍÍCIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES)CIE (BIDIMENSIONAIS OU PLANARES)DEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS

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.

superfícies livres;

contornos de grão;

outros contornos (maclas e outras fases presentes) ;e

as falhas de empilhamento


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SuperfSuperfíícies Livrescies LivresApesar 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 maiorenergia e assim, estão ligados aos átomos internos mais fragilmente


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Contornos de GrãoContornos de Grão


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Contornos de GrãoContornos de Grão

Superfícies de contato associadas aos contornos de grão


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MaclasMaclasÉ 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


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MaclasMaclasO seu aparecimento está geralmente associado com:

Presença de tensões térmicas e mecânicas;

Desvio da estequiometria;

Presença de impurezas


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DEFEITOS VOLUMDEFEITOS VOLUMÉÉTRICOSTRICOSDEFEITOS CRISTALINOSDEFEITOS CRISTALINOS

São introduzidas no processamento do material e/ou na fabricação do componente.

Alguns exemplos:Inclusões - impurezas estranhas;

Precipitados - são aglomerados de partículas cuja composição

difere da matriz;

Porosidade – origina-se devido a presença ou formação de

gases;

Fases - forma-se devido à presença de impurezas ou

elementos de liga (ocorre quando o limite de solubilidade é

ultrapassado).


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InclusõesInclusões

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


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

PososidadePososidade


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PartPartíículas de Segunda Faseculas 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).


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DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO

DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO

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DIAGRAMA DE EQUILDIAGRAMA DE EQUILÍÍBRIOBRIOINTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

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


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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


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


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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


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DIAGRAMA DE EQUILDIAGRAMA DE EQUILÍÍBRIOBRIOSOLUBILIDADESOLUBILIDADE

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.


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DIAGRAMA DE EQUILDIAGRAMA DE EQUILÍÍBRIOBRIOSOLUBILIDADESOLUBILIDADE

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.


74

DIAGRAMA DE EQUILDIAGRAMA DE EQUILÍÍBRIOBRIOFASESFASES

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.


75

DIAGRAMA DE EQUILDIAGRAMA DE EQUILÍÍBRIOBRIOFASESFASES

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.

Suas propriedades ou características não mudam com o tempo.

Geralmente, as fases sólidas são representadas nos diagramas por letras

gregas.

Fases de EquilFases de Equilííbriobrio

Fases MetaestFases Metaestááveisveis


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DIAGRAMA DE EQUILDIAGRAMA DE EQUILÍÍBRIOBRIO

Diagramas de Sistemas Binários

• isomorfo• eutético• peritético• monotético• eutetóide• peritetóide• sintético• com fases intermediárias

Diagramas de Sistemas Ternários• Sistemas ternários• pseudobinários


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DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSCARACTERCARACTERÍÍSTICASSTICAS

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.


78

DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSCARACTERCARACTERÍÍSTICASSTICAS

Esquema ilustrativo dos diversos sistemas representados nos diagramas de fase.


79

DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSISOMORFOSISOMORFOS

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.


80



InterpretaInterpretaçção do Diagramaão do Diagrama


81


Fases presentes: Para uma coordenada qualquer do diagrama, verifica-se

quais fases estão presentes.


Ponto A apenas fase alfaPonto B fase alfa e fase líquida



82


Composição de cada fase: Para uma coordenada qualquer do diagrama,

verifica-se quantas fases existem.


Uma fase composição lida diretamente do gráfico.Duas fases Usa-se o método da linha de conexão (tie-line)


83


Determinação das frações de cada fase: Para uma coordenada qualquer do

diagrama, verifica-se quantas fases existem.


Uma fase 100 % da própria fase.Duas fases Regra da Alavanca


84


Determinação das frações de cada fase: Para uma coordenada qualquer do

diagrama, verifica-se quantas fases existem.


Uma fase 100 % da própria fase.Duas fases Regra da Alavanca


85


EvoluEvoluçção ão MicroestruturalMicroestrutural


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CondiCondiçções de equilões de equilííbrio e não equilbrio e não equilííbriobrio

Resfriamento fora da condição de equilíbrioResfriamento lento (equilíbrio)


87

DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSEUTEUTÉÉTICOTICO

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)


88


Eutético: L Solido 1 + Sólido 2


89


No interior de uma No interior de uma estrutura eutestrutura eutéética lamelartica lamelar

αα primprimáária rica em chumbo ria rica em chumbo (regiões globulares escuras)(regiões globulares escuras)

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

Micrografia de uma liga de Pb-Sn


90


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.

CCAA

DDBB


Formas típicas apresentadas por compostos eutéticos


91

DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSEUTEUTÉÉTICOTICO fase β - clara

(rica Sn)

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

fase α - escura (rica Pb)

Diagrama Pb-Sn.


92


Sistema eutético Pb-Sb e estruturas correspondentes à diversas ligas


93

DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSEUTETEUTETÓÓIDEIDE

Reação eutetóide: sólido 1 → (sólido 2 + sólido 3)


94

DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSPERITPERITÉÉTICOTICO

Reação peritética: L + sólido 1 → sólido 2


95

DIAGRAMA DE SISTEMAS BINDIAGRAMA DE SISTEMAS BINÁÁRIOSRIOSMONOTMONOTÉÉTICOTICO

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

Reação monotética: L1 → L2 +sólido 1

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


96

DIAGRAMA DE SISTEMAS TERNDIAGRAMA DE SISTEMAS TERNÁÁRIOSRIOSDIAGRAMAS TERNDIAGRAMAS TERNÁÁRIOSRIOS

Diagrama ternários

Os sistemas ternários possuem três componentes, exigindo uma

representação tridimensional.


97

DIAGRAMA DE SISTEMAS TERNDIAGRAMA DE SISTEMAS TERNÁÁRIOSRIOS

Diagrama ternário Cr-Fe- Ni

O estudo dos sistemas ternários é realizado com maior facilidade

empregando-se secções isotérmicas ou secções verticais do diagrama ternário.

DIAGRAMAS TERNDIAGRAMAS TERNÁÁRIOSRIOS


98

DIAGRAMA DE SISTEMAS TERNDIAGRAMA DE SISTEMAS TERNÁÁRIOSRIOS

Diagrama Fe-Cr-NI

DIAGRAMAS PSEUDOBINDIAGRAMAS PSEUDOBINÁÁRIOSRIOS


99

DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C

DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe3C

100

ALOTROPIA OU POLIMORFISMOALOTROPIA OU POLIMORFISMODIAGRAMA DE FASES DIAGRAMA DE FASES FeFe--FeFe33CC

Alguns metais e não-metais podem ter mais de uma estrutura cristalina

dependendo da temperatura e pressão. Esse fenômeno é conhecido como

polimorfismo (alotropia).

AlotropiaAlotropia significa "maneira diferente"maneira diferente““ (do grego grego allosallos, outro, e tropos, , outro, e tropos,

maneiramaneira - 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 transformatransformaçções ões polimorficaspolimorficas são acompanhadas de

mudanmudançças na densidade e mudanas na densidade e mudançças de outras propriedades fas de outras propriedades fíísicassicas.


101



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


102



Estrutura atômica do diamante e grafite, respectivamente


103

ALOTROPIA DO FERROALOTROPIA DO FERRODIAGRAMA DE FASES DIAGRAMA DE FASES FeFe--FeFe33CC


Sob uma pressão de 1 atm o ferro puro apresenta as seguintes mudanças de

estado e transformações alotrópicas.


104

ALOTROPIA DO FERROALOTROPIA DO FERRODIAGRAMA DE FASES DIAGRAMA DE FASES FeFe--FeFe33CC

Variações da estrutura atômica do ferro Elaborado por Elaborado por EngEng Fabio AlvesFabio Alves

105

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 Fe-Fe3C

DIAGRAMA DE FASES DIAGRAMA DE FASES FeFe--FeFe33CCCONCEITOSCONCEITOS

Curvas de ResfriamentoCurvas de Resfriamento


106

CONCEITOSCONCEITOSDIAGRAMA DE FASES DIAGRAMA DE FASES FeFe--FeFe33CC


O diagrama de equilíbrio Fe-C apresenta a ferrita e a grafitaferrita e a grafita como sendo as fases termodinamicamente mais estfases termodinamicamente mais estááveisveis 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 equildiagrama de equilííbrio metaestbrio metaestáávelvel onde parte do carbono encontracarbono encontra--se em soluse em soluçção são sóólida e parte formando carbonetos de lida e parte formando carbonetos de ferroferro.


107



Sistema estável ferro-grafita Sistema metaestável ferro-carboneto de ferro


108



Diagrama Fe-C como usualmente considerado


109



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


110



O diagrama Fe-Fe3C indica, em funfunçção da temperatura e da concentraão da temperatura e da concentraçção ão

de carbonode carbono, quais as fasesquais as fases (líquido, α, λ, δ e Fe3C) que se encontram em que se encontram em

equilequilííbrio.brio.

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 aaççosos; as ligas

com valores superiores a 2% denominam-se ferros fundidosferros fundidos.

As microestruturas previstas no diagrama diagrama FeFe--FeFe33CC são resultantes de

reações que dependem de difusãodependem de difusão no estado sólido e, portanto, ssóó poderão poderão ser obtidas por resfriamentos lentosser obtidas por resfriamentos lentos.


111

CONSTITUINTESCONSTITUINTESDIAGRAMA DE FASES DIAGRAMA DE FASES FeFe--FeFe33CC


Os constituintes podem ser compostos por uma única fase ou pela combinação de várias.

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

CONSTITUINTES CONSTITUINTES ≠≠ FASESFASES


112



Ferrita (Ferrita (αα)) : 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.

AustenitaAustenita ((γγ)) : 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.


113



Ferrita (α) Austenita


114



Sistema ortorrômbico

Ferrita (Ferrita (δδ)):: 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.

CementitaCementita (Fe(Fe33C)C):: 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.


115



Detalhe de um grão de perlita

Perlita (Perlita (α + α + FeFe33CC)): : estrutura lamelar de cementita (Fe3C) em matriz ferrítica(áreas claras).

PerlitaPerlita


116

EVOLUEVOLUÇÇÃO MICROESTRUTURALÃO MICROESTRUTURALDIAGRAMA DE FASES DIAGRAMA DE FASES FeFe--FeFe33CC


Serão observadas como se formam as microestruturas obtidas por resfriamento lento nos três tipos básicos de aço ao carbono:

Eutetóide: É a composição que passa pelo ponto eutetoide, ou seja

0,77%C (≈ 0,80%C).

Hipoetutetóide: São os aços que possuem carbono abaixo de 0,80%

(e acima de 0,02%).

Hipereutetóide: São os aços que possuem carbono acima de 0,80% e

abaixo de 2%


117


Ferros Fundidos

AAçço o EutetEutetóóideide

AAçço o HipoeutetHipoeutetóóideide

AAçço o HipereutetHipereutetóóideide


118

2) Hipoeutetóide 1) Eutetóide 3) Hipereutetóidemicroestruturas obtidas pelo resfriamento lento



119



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.

TransformaTransformaçção ão EutetEutetóóideide


120



TransformaTransformaçção ão EutetEutetóóideide

100% γAustenita

2

Tem

pera

tur

a

γ

γ+L

Carbono(%)

Líquido (L)

perlita

γ

γ→ perlita

100% perlitaTempo t0,8

100% γ


121




Em seguida começa a surgir fase α nos contorno

de grão da fase γ.

A uma temperatura imediatamente acima da

eutética, a fase α já cresceu, ocupando

completamente as fronteiras da 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.

TransformaTransformaçção ão HipoeutetHipoeutetóóideide


122



TransformaTransformaçção ão HipoeutetHipoeutetóóideide

2

Tem

pera

tur

a

γ

α + γ

γ + L

Carbono(%)0,8

Líquido (L)L + δ

α + perlita

γ

γ→αγ→ perlita

90% α10% γ

90% α10% perlita

Tempo t

100% γ


123

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


Perlita Ferrita


124




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.

TransformaTransformaçção ão HipereutetHipereutetóóideide


125



TransformaTransformaçção ão HipereutetHipereutetóóideide

1 2

Tem

pera

tura

γ

γ+L

Carbono (%)

Líquido (L)

perlita + Fe3C

γ

γ→ perlita

tempo

100%γ

90% γ10% Fe3C

90% perlita10% Fe3C0,8

γ→Fe3C


126

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

Perlita

Cementita



127

Resumo das microestruturas obtidas pelo resfriamento lento

Hipoeutetóide HipereutetóideEutética



128

CURVAS DE RESFRIAMENTO

CURVAS DE RESFRIAMENTO

129

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.

CURVAS DE RESFRIAMENTOCURVAS DE RESFRIAMENTO

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

Como prever tais microestruturas?



130

CURVAS DE RESFRIAMENTOCURVAS DE RESFRIAMENTOINTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

diagrama de transformação isotérmica ou diagrama TTT (temperatura –tempo – transformação)Diagramas de ResfriamentoDiagramas de Resfriamento

diagrama de resfriamento contínuo ou ciagrama CCT (“continuous coolingtransformation)


131

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.

CURVAS TEMPERATURACURVAS TEMPERATURA--TRANSFORMATRANSFORMAÇÇÃOÃO--TEMPO (TTT)TEMPO (TTT)

Ciclo térmico de austenitização e resfriamento com transformação isotérmica


132


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.


133

CURVAS CURVAS TEMPERATURATEMPERATURA--TRANSFORMATRANSFORMAÇÇÃOÃO--TEMPOTEMPO (TTT)(TTT)

Curva TTT para aços


134

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.



135


Perlita GrosseiraPerlita Grosseira Perlita FinaPerlita Fina

Ttransf logo abaixo da TET maiores: difusão é mais rápidaPerlita é grosseira.

Ttransf bem abaixo da TET menores: difusão é mais lentaPerlita fina


136


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.

+ fina+ grosseira

Ttransf <<TETtransf ~ TE TTtransftransf <<T<<TEETtransf ~ TE


137


FATORES DE INFLUÊNCIAFATORES DE INFLUÊNCIA

Teor de carbono - quanto maior o teor de C, até a percentagem de 0,8%, mais para a direita ficará deslocada a curva TTT.

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.

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.


138


Influência da composição química (elementos de liga)


0,40%C-1,0%Mn + 0,8%Cr + 0,8%Cr + 0,3%Mo + 1,8%Ni

Os elementos de liga, via de regra, deslocam as curvas TTT para a direita, ou seja, eles retardam as reações difusionais.


139


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, jána amostra A (maior TG) as reações difusionais são menos favorecidas.

Amostra A Amostra B


140

CURVAS DE RESFRIAMENTO CONTCURVAS DE RESFRIAMENTO CONTÍÍNUO (CCT)NUO (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 (curvas CCT (““ContinuousContinuous CoolingCooling TransformationTransformation””).).

Os fatores que influenciam as curvas CCT são os mesmos das curvas TTT

(%C; elemento de liga e tamanho de grão).


141


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


142


Curva CCT para um aço eutetóide

A (FORNO) = Perlita grossa

B (AR) = Perlita + fina (+ dura

que a anterior)

C (AR SOPRADO) = Perlita + fina

que a anterior

D (ÓLEO)= Perlita + martensita

E (ÁGUA)= Martensita


143


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

TRC = Taxa de Resfriamento Crítico

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


144

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 condicondiçções ões

de nãode não--equilequilííbriobrio. As microestruturas mais comuns são: martensitamartensita e e bainitabainita..

CURVAS DE RESFRIAMENTOCURVAS DE RESFRIAMENTOMICROESTRUTURA RESULTANTESMICROESTRUTURA RESULTANTES


145

Descrita como ripas de ferrita com carbonetos entre as ripas ou no interior das mesmas.


BAINITABAINITA


146

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.


BAINITABAINITA


147


BAINITABAINITA

As forma de agulhas, contendo ferrita e cementita, só podem ser vistas com

clareza no microscópio eletrônico.

Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas das fases (microscopia ótica)


148


BAINITABAINITA

Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas das fases (microscopia eletrônica)


149


BAINITA SUPERIORBAINITA SUPERIOR

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

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.


150


BAINITA INFERIORBAINITA INFERIOR

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

Descrita como lentículas de ferrita com carbonetos no interior da ferrita (com

orientação determinada).


151


MARTENSITAMARTENSITA

Micrografias de um aço temperado (agulhas de 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.

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


152



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

Transformação da γ (CFC) α (CCC).

CFCCFC CCCCCC


153



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.

Na transformação martensítica, γ (CFC) M (TCC – Tetragonal de Corpo

Centrado).

CFCCFC TCCTCC


154



Durante a transformação há uma expansão de 2 a 3% em volumeexpansão de 2 a 3% em volume.

A martensita ocorre entre as temperaturas Mi e Mi e MfMf. Essas temperaturas

diminuem com o teor de elementos de liga em soludiminuem com o teor de elementos de liga em soluçção são sóólida na lida na austenitaaustenita.


155



Tetragonalidade da martensita: c/a=1+0,046*(%C)c/a=1+0,046*(%C)

Na martensita todo o carbono

permanece intersticial, formando

uma solução sólida de Ferro

supersaturada com Carbono, que é

capaz transformar-se em outras

estruturas, por difusão, quando

aquecida.

aacc

aa


156


RESUMORESUMO

AUSTENITA

Perlita(α + Fe3C) +

fase pró-eutetóide

Bainita

(α + Fe3C)

Martensita

(fase tetragonal)

Martensita Revenida

(α + Fe3C)Ferrita ou cementita

reaquecimento

Resf. lento Resf. moderado Resf. Rápido (Têmpera)

Pode ser:


157

PROPRIEDADES MECÂNICAS

PROPRIEDADES MECÂNICAS

158

CONCEITOSCONCEITOSPROPRIEDADES MECÂNICASPROPRIEDADES MECÂNICAS

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.


POR QUE ESTUDAR ? POR QUE ESTUDAR ?


159

PROPRIEDADES MECÂNICASPROPRIEDADES MECÂNICAS

Resistência à tração

Elasticidade

Ductilidade

Fluência

Fadiga

Dureza

Tenacidade

Resiliência


CONCEITOSCONCEITOS

PRINCIPAIS PROPRIEDADESPRINCIPAIS PROPRIEDADES

Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las


160


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. Mede-se o valor da força e do elongamento a cada instante, e gera-se uma curva tensão-deformação.


Comportamento de materiais submetidos a tração e compressão

--- forma do material antes da aplicação

da carga


161



Comportamento de um material submetidos à tração

Tensão = Força / Área


162



Curva tensão vs deformação convencional

CURVA TENSÃO X DEFORMACURVA TENSÃO X DEFORMAÇÇÃOÃO


163



Curva tensão vs deformação real e de engenharia


Área real


164



CURVA TENSÃO X DEFORMACURVA TENSÃO X DEFORMAÇÇÃOÃOA forma e a magnitude da curva dependem:

composição do material

tratamento térmico

deformação plástica anterior

taxa de deformação

temperatura

estado de tensões aplicado

durante o ensaio.


165



Influência da temperatura na curva tensão vs deformação


Efeito da recuperação na tensão vsdeformação


166



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

Influência do encruamento (“deformação”) nas propriedades mecânicas dos materiais.


167



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

LIMITE DE ESCOAMENTOLIMITE DE ESCOAMENTO

onde não observa-se nitidamente o

fenômeno de escoamento, a

tensão de escoamento

corresponde à tensão necessária

para promover uma deformação

permanente de 0,2% ou outro

valor especificado (obtido pelo

método gráfico)(A) (B)


168



Curva tensão-deformação

LIMITE DE RESISTÊNCIALIMITE DE RESISTÊNCIA


169


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

DUCTILIDADEDUCTILIDADE


170



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

DUCTILIDADEDUCTILIDADE


171


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

RESILIÊNCIARESILIÊNCIA


172

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


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


TENACIDADETENACIDADE


173



TENACIDADETENACIDADE

Alta resistência, baixa Alta resistência, baixa ductilidade, baixa tenacidade ductilidade, baixa tenacidade

Alta resistência, Alta resistência, alta ductilidade, alta ductilidade, alta tenacidade alta tenacidade

Baixa resistência, alta Baixa resistência, alta ductilidade, baixa tenacidade ductilidade, baixa tenacidade

tensão

deformaçãoComportamento de diferentes materiais quando carregados até a sua

ruptura (fratura)


174


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 risco, por choque e

por penetrapor penetraçção.ão.


DUREZADUREZA


175



DUREZADUREZA

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


176


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


Esquema de um ensaio de fluência

FLUÊNCIAFLUÊNCIA

É muitas vezes o fator limitante na vida

útil da peça.

Se torna importante, para metais, a T ~

0,4TFUSÃO


177


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


Estágios das curvas de fluência

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: ocorre uma aceleração da

deformação causada por mudanças

microestruturais (rompimento das fronteiras de

grão)

FLUÊNCIAFLUÊNCIA


178


As curvas de fluência variam em função da temperatura de trabalho e da tensão aplicada.


FLUÊNCIAFLUÊNCIA


179



Curvas de fluência do aço carbono a 450oC

FLUÊNCIAFLUÊNCIACaso não ocorresse a fluência, a deformação seria constante (dada pelo

ensaio de tração).


180



Propriedades mecânicas de alguns materiais metálicos


181

MICROESTRUTURA DO AMICROESTRUTURA DO AÇÇOOPROPRIEDADES MECÂNICASPROPRIEDADES MECÂNICAS

PERLITA & CEMENTITAPERLITA & CEMENTITA


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


182


Ener

gia

de im

pact

o Iz

od(ft

.lb)

Lim

ite d

e es

coam

ento

e li

mite

de

resi

stên

cia

àtr

ação

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).


PERLITA & CEMENTITAPERLITA & CEMENTITA


183




Influência do resfriamento nas propriedades mecânicas de um aço


184



MARTENSITA REVENIDAMARTENSITA REVENIDA

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


185



MARTENSITA & MARTENSITA REVENIDAMARTENSITA & MARTENSITA REVENIDA

Índi

ce d

e du

reza

Bri

nel

l

Du

reza

Roc

kwel

lC

A martensita é a mais dura, mais

resistente e mais frágil dentre as

microestruturas possíveis em uma liga de

Fe-C;

Sua alta dureza está relacionado a

capacidade dos átomos intersticiais de

carbono de restringir o movimento das

discordâncias, bem como ao número

relativamente pequeno de sistemas de

escorregamento para a estrutura TCC.


186




A martensita é muito dura para

determinadas aplicações;

A ductilidade e a tenacidade da martensita

podem melhorar com a execução de um

tratamento térmico de revenimento;

Revenimento: aquecimento de um aço

temperado até 250-650ºC para deixar a

difusão ocorrer e formar a martensita

revenida conforme a equação:

Mart. (TCC) Mart. rev. (Ferrita α + Fe3C)

Dur

eza


187




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.

CementitaCementita(Fe(Fe33C)C)região clara

FerritaFerritaregião escura


188


BAINITABAINITAAs 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.


189


BAINITABAINITA


A bainita é mais resistente e dura que a perlita


190


Perlita grossa ~86-97 HRBPerlita fina ~20-30 HRC

Bainita superior ~40-45 HRC

Bainita inferior~50-60 HRC

Martensita 63-67 HRC


191

TRATAMENTOS TÉRMICOS

TRATAMENTOS TÉRMICOS

192


TRATAMENTOS TTRATAMENTOS TÉÉRMICOSRMICOS

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.


193



RecozimentoRecozimentoRecozimento Pleno

Esferoidização

Recozimento para Alívio de Tensões

Normalização

Têmpera e Têmpera e RevenidoRevenido

TratTrat. T. Téérmicos rmicos EspeciaisEspeciais

Austêmpera

Martêmpera

Recozimento Isotérmico

TratTrat. de Endurecimento . de Endurecimento SuperficialSuperficial

Têmpera Superficial

Trat. Termoquímicos


194

VARIVARIÁÁVEISVEIS


Para se caracterizar um tratamento térmico numa peça, é necessário se

definir o aquecimentoaquecimento, a permanência na temperatura de tratamentopermanência na temperatura de tratamento e o

resfriamentoresfriamento.

A temperatura de tratamentotemperatura 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 aquecimentotaxa de aquecimento, normalmente, não é importante, embora possa,

caso seja muito elevada, causar empeno e até mesmo trincas em peças

previamente encruadas ou totalmente martensíticas.


195

VARIVARIÁÁVEISVEIS


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 resfriamentovelocidade 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 ttéécnicas de resfriamentocnicas de resfriamento intenso podem implicar em diferentes velocidades de resfriamento em locais distintos da peça, gerando tensões térmicas que podem causar empenamento ou trincas.


196

TEMPERABILIDADETEMPERABILIDADE


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 martensitanão só na superfície, mas também numa longa profundidade da peça tratada.

Todos os elementos de liga aumentam a elementos de liga aumentam a temperabilidadetemperabilidade, exceto o Cobalto.

ENSAIO JOMINI – Ensaio para se avaliar a temperabilidade dos aços


197



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


198



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 Como avaliar a temperabilidadetemperabilidade de diferentes ade diferentes açços?os?

15)(

6)(

6)( CuNiVMoCrMnCIIWCE +

+++

++=

Carbono equivalente


199



0,250,801,850,404340

0,20-1,000,404140

0,200,550,500,408640

--0,850,405140

---0,401040

%Mo%Ni%Cr%CAISI

15)(

6)(

6)( CuNiVMoCrMnCIIWCE +

+++

++=

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%


200



Composição química;

Tamanho de grão;

Homogeneidade do aço no campo austenítico.

FATORES QUE INFLUENCIAMFATORES QUE INFLUENCIAM

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.


201

RECOZIMENTORECOZIMENTO


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.

RECOZIMENTO PLENORECOZIMENTO PLENO


202



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.



203





204



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 perperííodo de 12 a 15 horasodo de 12 a 15 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.

ESFEROIDIZAESFEROIDIZAÇÇÃOÃO


205




Microestrutura – “Esferoidita”

Tratamento tTratamento téérmico de rmico de esferoidizaesferoidizaççãoão

AAçço SAE 4340o SAE 4340AAçço SAE 1095o SAE 1095


206




Evolução microestrutural no aço :: perlita em esferoidita

T, t


207



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.

RECOZIMENTO PARA ALRECOZIMENTO PARA ALÍÍVIO DE TENSÕESVIO DE TENSÕES


208



RECOZIMENTO PARA ALRECOZIMENTO PARA ALÍÍVIO DE TENSÕESVIO DE TENSÕES


209



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.

NORMALIZANORMALIZAÇÇÃOÃO


210

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 (obten(obtençção de uma ão de uma microestrutura mais fina e uniforme).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 aumenta um pouco a dureza e a resistência mecânica do amecânica do aççoo (rápido resfriamento 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.



NORMALIZANORMALIZAÇÇÃOÃO


211

MICROESTRUTURASMICROESTRUTURAS


têmperatêmpera

NormalizaNormalizaççãoão


212

TÊMPERA & REVENIDOTÊMPERA & REVENIDO



TÊMPERATÊMPERA

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


213




TÊMPERATÊMPERA

A transformação martensÍtica ocorrerá se a velocidade de resfriamento for suficientemente elevada.


214




TÊMPERATÊMPERA

A dureza obtida na tempera é em função do teor de carbono do ateor de carbono do açço o (composi(composiçção quão quíímica)mica) e da quantidade de quantidade de martensitamartensita formada (severidade formada (severidade do meio de resfriamento)do meio de resfriamento).


215



Normalização e recozimento de um aço eutetóide

Recozido perlita grossa

Normalizado perlita fina

RecozimentoRecozimento

NormalizaNormalizaççãoão


216




REVENIDO (REVENIDO (““TemperingTempering””))

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 (conferir tenacidade e aliviar tensões no atensões no açço temperado).o temperado).

A estrutura resultante chama-se de martensitamartensita revenidarevenida.


217




REVENIDO (REVENIDO (““TemperingTempering””))

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


218



TÊMPERA & REVENIDO TÊMPERA & REVENIDO -- MICROESTRUTURAS OBTIDASMICROESTRUTURAS OBTIDASMartensitaMartensita

MartensitaMartensita RevenidaRevenida

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.

É obtida pelo reaquecimento da martensita, formando fase alfa + carbonetos (geralmente, cementita).

Possui menor dureza que a martensita.

Forma de agulhas escuras


219




MartensitaMartensita

MartensitaMartensitaRevenidaRevenida

RevenimentoRevenimento

TêmperaTêmpera


220

TRATAMENTOS TTRATAMENTOS TÉÉRMICOS ESPECIAISRMICOS ESPECIAIS



AUSTÊMPERAAUSTÊMPERA

A austêmpera, também denominada têmpera têmpera bainbainííticatica ou tempera de faseou tempera de faseintermediária, substitui o tratamento térmico de têmpera e revenido.

a) aquecimento acima da zona crítica durante um tempo para completa

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.

ETA

PAS

ETA

PAS


221





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.


222






223





Representação esquemática do tratamento térmico de austêmpera


224




MARTÊMPERAMARTÊMPERA

A martêmpera, também chamada têmpera interrompidatêmpera interrompida, visa diminuir as deformações pelas tensões devidas ao resfriamento rápido.

a) aquecimento acima da zona crítica durante um tempo para completa

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.

ETA

PAS

ETA

PAS


225




MARTÊMPERAMARTÊMPERA

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 deve ser realizado o tratamento de revenidorevenido, dispensável no caso da austêmpera.


226




RECOZIMENTO ISOTRECOZIMENTO ISOTÉÉRMICORMICO

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 microestrutura obtida éé mais uniforme que no recozimento plenomais uniforme que no recozimento pleno.

O recozimento isotérmico não não éé vantajosovantajoso em relação ao recozimento pleno

no caso de peno caso de peçças grandesas grandes, pois a velocidade de resfriamento será muito

baixa


227




RECOZIMENTO ISOTRECOZIMENTO ISOTÉÉRMICORMICO

Recozimento Recozimento plenopleno

Recozimento Recozimento IsotIsotéérmicormico

Faixa de Faixa de temperaturatemperatura


228




Austenita Temperatura eutetóide

Cementita globulizadaPerlita

Bainita

MartensitaAqueciment

o

MartensitaRevenida

Temperatura ambienteTêmpera

Resumo das microestrutura em função das faixas de temperatura


229


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

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

Endurece o materialAustenitização 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

TÊMPERA

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

Esferoidita – carbonetos grosseiros e esferoidizados em matriz ferrítica dúctil

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

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%)

RECOZIMENTO PARA ESFEROIDIZAÇÃO

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

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

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

Austenitização seguida de resfriamento ao ar

NORMALIZAÇÃO

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

Perlita grossa + fase pró-eutetóide

Amolesce o material para usinagem ou conformação a frio

Austenitização seguida de resfriamento ao forno

RECOZIMENTO PLENO

PROPRIEDADESMICROESTRUTURASINDICAÇÃONO QUE CONSISTETRATAMENTO

RESUMORESUMO


230


RESUMORESUMO

Bainita superior ou inferior (conforme a temperatura escolhida)

Produzir aços bainíticosTratamento isotérmico para produção de bainita.

AUSTÊMPERA

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

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

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

MARTÊMPERA

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

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

- Alivia tensões- Confere tenacidade modifi-cando a microestrutura da martensita.

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

REVENIDO

PROPRIEDADESMICROESTRUTURASINDICAÇÃONO QUE CONSISTETRATAMENTO


231

TRATAMENTOS DE ENDURECIMENTO SUPERFICIAISTRATAMENTOS 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.


232




TratTrat. de Endurecimento . de Endurecimento SuperficialSuperficial

por chama;

por indução;

Têmpera SuperficialTêmpera Superficial

TratTrat. Termoqu. Termoquíímicosmicos

cementação;

nitretação;

cianetação;

carbo-nitretação

boretação


233




TÊMPERA SUPERFICIALTÊMPERA 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.


234





Na têmpera superficial por chamatêmpera 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.


235





Na têmpera superficial por indutêmpera superficial por induççãoão, 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.


236






237




TRATAMENTOS TERMOQUTRATAMENTOS TERMOQUÍÍMICOSMICOS

Nos tratamentos termoquímicos, objetivaobjetiva--se o aumento da dureza se o aumento da dureza

superficial atravsuperficial atravéés da difusão de elementoss 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:cementação;

nitretação;

cianetação;

carbo-nitretação

boretação


238





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 temperaturadepende do tempo e da temperaturade 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.


239





Perfil de dureza de uma camada cementada.

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


240





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.


241





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.


242





Difusão de nitrogênio durante a nitretação gasosa


243





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.


244





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.


245





A carbocarbo--nitretanitretaççãoão 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 boretaboretaççãoão 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.


246

MECANISMOS DE ENDURECIMENTOMECANISMOS DE ENDURECIMENTO

247


MECANISMO DE ENDURECIMENTOMECANISMO DE ENDURECIMENTO


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:


Encruamento;

Solução sólida;

Precipitação (ou dispersão);

Refino de grão;

Transformação de fase.

248

ENCRUAMENTOENCRUAMENTO




A multiplicação do número de discordâncias durante a deformação de um metal reduz o caminho livre entre discordâncias, isto é, sua movimentação éreduzida.

249

ENCRUAMENTOENCRUAMENTO




Efeitos do encruamento na resistência mecânica.

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

250

SOLUSOLUÇÇÃO SÃO SÓÓLIDALIDA




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

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REFINOREFINO DE GRÃODE GRÃO




Os contornos de grão são regiões que apresentam distorção na rede atrapalhando a movimentação das discordâncias.

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PRECIPITAPRECIPITAÇÇÃOÃO




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

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TRANSFORMATRANSFORMAÇÇÃO DE FASEÃO DE FASE




254

TRANSFORMATRANSFORMAÇÇÃO DE FASEÃO DE FASE




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DÚVIDASDDÚÚ[email protected]


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