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10. TRANSFORMAÇÃO DE FASE EM METAIS

10.1 INTRODUÇÃO

Uma razão para a versatilidade dos materiais metálicos reside na ampla gama de propriedades mecânicas que eles possuem, as quais são possíveis de serem administradas de várias maneiras.

O desenvolvimento da microestrutura em ligas tanto monofásicas como bifásicas envolve normalmente algum tipo de transformação de fase uma alteração no número e/ou na natureza das

fases. Uma vez que a maioria das transformações de fases não ocorre instantaneamente, são feitas considerações quanto à dependência do progresso da reação em função do tempo, ou a taxa de transformação. São introduzidos diagramas de fases modificados que permitem a determinação da microestrutura resultante de um tratamento térmico específico. Finalmente, são apresentados outros microconstituintes.

além da perlita, e para cada um deles são discutidas as propriedades mecânicas.

TRANSFORMAÇÕES DE FASE

10.2 CONCEITO BÁSICO

Um grande número de transformações de fases é importante no processamento de materiais, e geralmente elas envolvem alguma alteração da microestrutura. Essas transformações são divididas em três classificações. O primeiro está às transformações simples que dependem de difusão, onde não existe qualquer alteração tanto no número como na composição das fases presentes.

No segundo tipo de transformação que depende da difusão, existe alguma alteração nas composições das fases e, frequentemente, também no número de fases que estão presentes normalmente, a microestrutura final consiste em duas fases.

No terceiro tipo de transformação se processa sem a ocorrência de difusão, onde tem lugar a produção de uma fase metaestável.

10.3 A CINÉTICA DE REAÇÕES NO ESTADO SÓLIDO

A maioria das transformações no estado sólido não ocorre instantaneamente, pois obstáculos impedem o curso da reação e a tornam dependente do tempo.

De um ponto de vista micro estrutural, o primeiro processo a acompanhar uma transformação de fases é a nucleação, que consiste na formação de partículas, ou núcleos, muito pequenos da nova fase,

as quais são capazes de crescer. O segundo estágio é o crescimento, ao longo do qual os núcleos

aumentam em tamanho; durante esse processo, obviamente, uma parte do volume da fase original

desaparece. A transformação atinge o seu término se for permitido que o crescimento dessas partículas

da nova fase prossiga até que a proporção em condições de equilíbrio seja atingida.O progresso da transformação é geralmente verificado mediante um exame microscópico ou

mediante a medição de alguma propriedade física cuja magnitude seja característica da nova fase. Os dados são plotados como a fração de material transformado em função do logaritmo do tempo.

Para transformações em estado sólido que exibem o comportamento cinético representado pela Fig. 10.1, a fração da transformação, y, é uma função do tempo, t, de acordo com a seguinte relação:

Onde k e n são constantes que independem do tempo para a reação específica. A expressão acima é conhecida normalmente por equação de Avrami.

10.4 TRANSFORMAÇÕES MULTIFÁSICAS

As transformações de fases podem ser forjadas em sistemas de ligas metálicas pela variação da temperatura, da composição e da pressão externa; entretanto, as alterações de temperatura através de tratamentos térmicos são mais convenientemente utilizadas para induzir as transformações de fases. Durante uma transformação de fases, uma liga prossegue em direção a um estado de equilíbrio que é caracterizado pelo diagrama de fases em termos das fases produzidas, das suas composições e das quantidades relativas.

A taxa de aproximação do equilíbrio para sistemas sólidos é tão lenta que estruturas em verdadeiro equilíbrio raramente são atingidas. São mantidas condições de equilíbrio somente quando o aquecimento ou o resfriamento é executado a taxas extremamente lentas e, para todos os fins práticos, inviáveis.

Para transformações diferentes daquelas existentes em um resfriamento em condições de equilíbrio, as transformações são deslocadas para temperaturas mais baixas do que aquelas indicadas pelo diagrama de fase; para um caso de aquecimento, o deslocamento se dá para temperaturas mais elevadas. Esses fenômenos são conhecidos por super-resfriamento e sobreaquecimento, respectivamente.

ALTERAÇÕES MICROESTRUTURAIS E DAS PROPRIEDADES EM LIGAS

FERRO-CARBONO

10.5 DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÕES ISOTÉRMICAS

PerlitaConsidere a reação eutetóide ferro-carbeto de ferro, 7(0,76%p C); ; a(0,022%p C) + Fe3C(6,70%p C) (9.19)

Com o resfriamento, a austenita, que possui uma concentração de carbono intermediária, se transforma em uma fase ferrita, que possui um teor de carbono muito mais baixo, e também em cementita, com uma concentração de carbono muito mais alta.

A temperatura desempenha um papel importante na taxa da transformação da austenita em perlita. A dependência em relação à temperatura para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide está indicada na Fig. 10.3, onde estão plotadas curvas em forma de S que mostram a porcentagem de transformação em função do logaritmo do tempo, para três temperaturas

diferentes. Para cada curva, os dados foram coletados após se resfriar rapidamente uma amostra composta por 100% de austenita até a temperatura indicada no gráfico;

A transformação de austenita em perlita ocorrerá somente se uma liga for super-resfriada até abaixo da temperatura eutetóide. Como está indicado pelas curvas, o tempo necessário para que a transformação tenha seu início e então termine depende da temperatura. As curvas de início e término são praticamente paralelas, e elas se aproximam da curva eutetóide. A esquerda da curva de início da transformação, apenas a austenita estará presente, enquanto à direita da curva de término da transformação apenas a perlita existirá. Entre as duas curvas, a austenita se encontra no processo de transformação em perlita, e dessa forma ambos os microconstituintes estarão presentes. Dessa forma, a partir da Fig. 10.4, a temperaturas imediatamente abaixo da temperatura eutetóide, são necessários tempos muito longos para que ocorra uma transformação de 50% e, portanto, a taxa de reação é muito lenta. A taxa de transformação aumenta com a diminuição da temperatura, de tal modo que a 540°C (1000°F) apenas cerca de 3 s são necessários para que a reação prossiga até 50% da sua conclusão.

A razão para essa disparidade é que ao longo dessa faixa de temperaturas (isto é, 540 a 727°C), a taxa de transformação é controlada pela taxa de nucleação da perlita, e a taxa de nucleação diminui com o aumento da temperatura (isto é, menos super-resfriamento).

Diversas limitações são impostas ao uso de diagramas como o da Fig. 10.4. Em primeiro lugar, esse gráfico em particular é válido somente para uma liga ferro-carbono com composição eutetóide; para outras composições, as curvas terão configurações diferentes.

A razão entre as espessuras das camadas de ferrita e de cementita na perlita é de aproximadamente 8 para 1. Contudo, a espessura absoluta da camada depende da temperatura na qual é permitido o prosseguimento da transformação isotérmica. A temperaturas imediatamente abaixo da temperatura eutetóide, são produzidas camadas relativamente espessas, tanto para a fase ferrita a como para a fase Fe3C; essa microestrutura é conhecida por perlita grosseira, e a estrutura com camadas finas que é produzida na vizinhança de 540°C é conhecida por perlita fina.

BAINITA

São produtos da transformação austenítica são encontrados a essas temperaturas mais baixas. Além disso, dependendo da temperatura da transformação, dois tipos gerais de bainita têm sido observados: a bainita superior e a bainita inferior.

Para temperaturas entre aproximadamente 300 e 540°C, a bainita se forma como uma série de ripas paralelas (isto é, tiras finas e estreitas) ou agulhas de ferrita que se encontram separadas por partículas alongadas da fase cementita. Tal estrutura é conhecida por bainita superior, e seus detalhes microestruturas são tão finos que a sua resolução só é possível com o auxílio de um microscópio eletrônico. A temperaturas mais baixas, entre aproximadamente 200 e 300°C, a bainita inferior é o produto da transformação. Para a

bainita inferior, a fase ferrita existe na forma de placas finas (em vez de ripas, como ocorre para a bainita superior), e partículas estreitas de cementita (na forma de bastões ou lâminas muito finas) se formam no interior dessas placas de ferrita.

A dependência tempo-temperatura da transformação da bainita também pode ser representada no diagrama de transformação isotérmica. Ela ocorre a temperaturas abaixo daquelas nas quais a perlita se forma. As curvas para o início, final e meio da reação são apenas extensões daquelas para a transformação perlítica.

Também deve ser observado que as transformações perlítica e bainítica são, na realidade, concorrentes uma com a outra, de tal modo que uma vez que uma dada fração de uma liga tenha se transformado em perlita ou bainita, a transformação no outro microconstituinte não é possível sem que haja um reaquecimento para formar austenita.

CEMENTITA GLOBULIZADA

Se uma liga de aço que possui uma microestrutura perlítica ou bainítica for aquecida e deixada a uma temperatura abaixo da temperatura eutetóide durante um período suficientemente longogo, por exemplo, a aproximadamente 700°C (1700°F) por entre 18 e 24 horas, uma outra microestrutura irá se formar. Em lugar das lamelas alternadas de ferrita e cementita (perlita), ou das microestruturas observadas para as bainitas superior e inferior, a fase

Fe3C aparece como partículas com aspecto esférico que estão encerradas em uma matriz contínua. Essa transformação ocorreu mediante uma difusão adicional de carbono, sem qualquer alteração nas composições ou quantidades relativas das fases ferrita e cementita.

MARTENSITA

É formado quando ligas ferro-carbono austenitizadas são resfriadas rapidamente (ou temperadas) até uma temperatura relativamente baixa (na vizinhança da temperatura ambiente). A martensita é uma estrutura monofásica que não se encontra em equilíbrio, resultante de uma transformação sem difusão da austenita. Ela pode ser considerada como sendo um produto da transformação que compete com a perlita e a bainita.

A transformação martensítica ocorre quando a taxa de tempera é rápida o suficiente para prevenir a difusão do carbono. Qualquer difusão que porventura venha a ocorrer resultará na formação das fases ferrita e cementita.

A transformação não é bem compreendida. Entretanto, um grande número de átomos experimenta movimentos cooperativos, no sentido de que existe apenas um pequeno deslocamento de cada átomo em relação aos seus vizinhos.

Ela é encontrada em outros sistemas e é caracterizada, em parte, pela transformação com ausência de difusão. Urna vez que a transformação não envolve difusão ela ocorre quase instantaneamente; os grãos de martensita nucleiam e crescem a uma taxa muito rápida, equivalente à velocidade do som no interior da matriz da austenita. Dessa forma, taxa de transformação, para todas as finalidades práticas, é independente do tempo. Duas microestruturas martensíticas muito diferentes são encontradas em ligas ferro-carbono: em ripas e lenticular. Para ligas que contêm menos do que cerca de 0,6%p C, os grãos de martensita se formam como ripas.

A martensita lenticular (ou em placas) é encontrada tipicamente em ligas ferro-carbono que contêm concentrações de carbono superiores a aproximadamente 0,6%p C. Com essa estrutura, os grãos de martensita adquirem uma aparência em formato de agulha. Sendo uma fase fora de equilíbrio, a martensita não aparece no diagrama de fases ferro-carbeto de ferro. A transformação da austenita em martensita está, no entanto, representada no diagrama de transformação isotérmica. Uma vez que a transformação martensítica ocorre sem difusão e é instantânea, ela não está representada nesse diagrama, como estão as reações perlítica e bainítica.

10.6 DIAGRAMAS DE TRANSFORMAÇÃO POR RESFRIAMENTO CONTÍNUO

A maioria dos tratamentos térmicos para os aços envolve o resfriamento contínuo de uma amostra até a temperatura ambiente. Um diagrama de transformação isotérmica só é válido para temperatura constante e tal diagrama deve ser modificado para transformações com mudanças constantes de temperaturas

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

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

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

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

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

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

10.7 COMPORTAMENTO MECÂNICO DE LIGAS FERRO-CARBONO

Para todas as microestruturas, com exceção da martensita, duas fases estão presentes

(isto é, a ferrita e a cementita); e assim, está proporcionada uma oportunidade para se explorar várias relações propriedade mecânica-microestrutura que são existentes para essas ligas.

A cementita é mais dura, porém mais frágil do que a ferrita. Dessa forma aumentando a fração de Fe3C irá resultar em um material mais duro e mais resistente. A espessura da camada de cada fase

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

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

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

de ductilidade. A perlita grosseira é mais dúctil que a perlita fina, pois existe uma maior restrição à deformação plástica na perlita fina. A esferoidita é extremamente dúctil, muito mais do que a perlita fina e perlita grosseira. Além disso são extremamente tenazes, pois qualquer trinca encontra uma pequena de partículas frágeis de cementita.

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

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

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

10.8 MARTENSITA REVENIDA

No estado "como temperado", a martensita, além de ser muito dura, é tão frágil que não pode ser usada para a maioria das aplicações; além disso, quaisquer tensões internas que possam ter sido introduzidas durante a tempera possuem um efeito de enfraquecimento.A ductilidade e a tenacidade da martensita podem ser aprimoradas e essas tensões internas podem ser aliviadas através de um tratamento térmico conhecido por revenido.O revenido é conseguido através do aquecimento de um aço martensítico até uma temperatura abaixo da temperatura eutetoide durante um intervalo de tempo específico. Normalmente, o revenido é realizado a temperaturas entre 250 e 650°C.Esse tratamento térmico de revenimento permite, através de processos de difusão, a formação da martensita revenida, de acordo com a reação

martensita > martensita revenida (10.4) (TCC, monofásica) (fases a + Fe3C)

onde a martensita TCC monofásica, que está supersaturada com carbono se transforma na martensita revenida, composta pelas fases estáveis ferrita e cementita, como está indicado no diagrama de fases ferro-carbeto de ferro.O tamanho das partículas de cementita influencia o comportamento mecânico da martensita revenida; o aumento no tamanho das partículas diminui a área de contornos entre as fases ferrita e cementita e, consequentemente, resulta em um material mais macioe mais fraco, porém ainda assim um material que é mais tenaz e mais dúctil.

Uma vez que a difusão do carbono está envolvida na transformação da martensita em martensita revenida, o aumento da temperatura irá acelerar o processo de difusão, a taxa de crescimento das partículas de cementita e, subsequentemente, a taxa de amolecimento. A dependência do limite de resistência à tração e do limite de escoamento, bem como da ductilidade, em relação à temperatura de revenido para um aço-liga.

FRAGILIZAÇÃO POR REVENIDO

O revenido de alguns aços pode resultar em uma redução na tenacidade, conforme medidas por ensaios de impacto (Seção 8.6); isso é conhecido por fragilização por revenido. O fenômeno ocorre quando o aço é revenido a uma temperatura acima de aproximadamente 575°C (1070°F), seguido por um resfriamento lento até a temperatura ambiente, ou quando o revenido é realizado entre aproximadamente 375 e 575°C (700 e 1070°F).Foi determinado que as ligas de aço que são suscetíveis a fragilização por revenido contêm concentrações apreciáveis dos elementos de liga manganês, níquel ou cromo e, adicionalmente, um ou mais dos elementos antimônio, fósforo, arsênio e estanho, na forma de impurezas em concentrações relativamente baixas. A presença desses elementos de liga e das impurezas desloca a transição dúctil-frágil para temperaturas significativamente maiselevadas; a temperatura ambiente reside, assim, abaixo dessa transição no regime de fragilidade.