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Frederico A.P. Fernandes
Universidade Estadual Paulista – UNESPFaculdade de Engenharia de Ilha Solteira – FEIS
Departamento de Eng. MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Eng. Mecânica
Disciplina: Ciência dos Materiais de Engenharia
Ilha Solteira
02 de outubro de 2015
Conteúdo
- Difusão:
.Introdução
.Mecanismos de difusão
.Efeito Kirkendall
.Fatores que influenciam a difusão
.Exemplos
- Diagramas de fases:
.Introdução
.Sistemas isomorfos binários
.Sistemas eutéticos binários
.Diagrama Fe-Fe3C
- Transformações de fases:
.Introdução
.Cinética de reações no estado sólido
.Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
Introdução
• Versatilidade dos metais:
. Possibilidade de controle das propriedades;
. Mecanismos de aumento de resistência:.refino de grão, solução sólida, encruamento;
• Importância das transformações:
. Microestrutura;
• Importância das transformações:
. Desenvolvimento da microestrutura;
. Tratamentos térmicos;
Transformação de fases
. Precipitação;
. Solidificação;
. Recuperação, recristalização e crescimento de grão;
.Homogênea
• Nucleação:
Transformações de fases
• Classificação:
. Difusional;
. Não-difusional;
.Homogênea
.Heterogênea
• Crescimento:
Transformações de fases
• Nucleação homogênea:
. Solidificação de um metal puro.
Raio crítico
Energia livre crítica ou de ativação
∆G – Energia livre total∆Gv – Energia livre de volume
- Energia livre de superfície
r* – raio crítico do núcleo
Transformações de fases
• Nucleação homogênea:
se,
logo:
∆H – Calor latente de fusão
Raio crítico Energia livre crítica ou de ativação
∆Hf e - insensíveis à temperatura;∆Hf – Calor latente de fusão
- Energia livre de superfície
r* – raio crítico do núcleoTm - Temperatura de fusão
Aplicações:-diversas formas de núcleos;-sólido-vapor;-sólido-líquido;-sólido-sólido (um termo a mais);
∆Hf e - insensíveis à temperatura;
Assim, ∆G* e r* diminuem com a diminuição da temperatura.
Transformações de fases
• Nucleação homogênea:
.Exemplo:Para a solidificação do ouro puro, calcular o raio crítico (r*) e a energia livre de ativação (∆G*) se a nucleação é homogênea, ocorrendo a uma temperatura de 830˚C. Os valores para o calor latente de fusão e a energia livre de superfície são -1,16.109 J/m3 e 0,132 J/m2, respectivamente. A temperatura de fusão do ouro é de 1060˚C.
Calcule também o número de átomos encontrados em um núcleo de tamanho crítico. Suponha que um parâmetro de rede de 0,413nm para tamanho crítico. Suponha que um parâmetro de rede de 0,413nm para o ouro sólido na sua temperatura fusão.
Transformações de fases
• Nucleação heterogênea:
IL - Energia interfacial IL
SI - Energia interfacial SI
SL - Energia interfacial SL
- Ângulo de molhamento
Energia livre crítica ou de ativação (∆G*):
Transformações de fases
• Nucleação:
.Número de núcleos estáveis:
.Frequência de fixação:
.Taxa de nucleação:
N = n* d
.
• Crescimento:
.ocorre por difusão atômica
G – Taxa de crescimentoC – Fator pré-exponencialQ – Energia de ativação
Solidificação – S-L
Transformações de fases
.
Aplicações:-sólido-vapor;-sólido-líquido;-sólido-sólido;
.Taxa global??
Transformações de fases
• Solidificação:
. Zona coquilhada;
. Zona colunar;
. Zona equiaxial;
(Seção de um lingote após vazamento)
sólido
Transformações de fases
• Transformações no estado sólido:
.Energias envolvidas:
Volume transformado
.Volume;
.Superfície;
.Deformação;
sólido Nova interface sólido-sólido
transformado
Transformações de fases
• Sobreaquecimento vs. Super-resfriamento:
.Transformações em condições fora do equilíbrio são deslocadas para temperaturas mais baixas, no caso de resfriamento, e para temperaturas mais elevadas, no caso do aquecimento.
.Exemplo:.Exemplo:.Reação eutetóide (±20˚C)
Cinética da transformação de fases
• Dependência da taxa de transformação com o tempo
-Exame microscópico;-Avaliação de uma propriedade (condutividade);
Equação de Avrami:
(Temperatura constante)
y – Fração da transformaçãot – Tempok e n – Constantes
Taxa de transformação:
Cinética da transformação de fases
• Exemplo:.Recristalização de cobre (Cu) deformado à frio;.Processo difusional;
.Comportamento da maioria das reações no estado sólido;
Cinética da transformação de fases
• Recuperação, recristalização e crescimento de grão:
.Recuperação: parte da energia interna é liberada
devido à movimentação de discordâncias;
.Recristalização: formação de um novo conjunto de
grãos (equiaxiais) livre de deformação;
.Crescimento de grão: após recristalização
completa, os grãos livres de deformação continuarão a completa, os grãos livres de deformação continuarão a crescer;
Cinética da transformação de fases
• Recuperação, recristalização e crescimento de grão:
.Deformação plástica em baixas temperaturas: mudança
a forma dos grãos, encruamento, aumento na densidade de discordâncias;
.Operações de conformação:
- Forjamento;
- Trabalho a frio- Trabalho a quente (T>Trec.)
- Forjamento;- Laminação;- Extrusão;- Estiramento...
Cinética da transformação de fases
• Recuperação:
. Estrutura deformada > Aniquilação > Rearranjo
Cinética da transformação de fases
• Recristalização e crescimento de grão em latão (Cu-Zn):
33% (RD) 3s 580C 4s 580C
8s 580C 15min 580C 10min 700C
Cinética da transformação de fases
• Recristalização e crescimento de grão em latão (Cu-Zn):
. Temperatura de recristalização:temperatura na qual o processo derecristalização ocorre em 1h.
Trec. = 450C
.Recozimentos de 1h
.Metais puros: 0,3 a 0,5.Tm
.Algumas ligas: 0,7.Tm
Cinética da transformação de fases
• Recristalização e crescimento de grão:
. Deformação crítica: 2-20%;
. Deformação a frio aumenta a taxa de recristalização;
Ferro puro
Cinética da transformação de fases
• Crescimento de grão:
. Difusão atômica em pequena escala;
. Migração dos contornos de grão;
.crescimento de grão em latão:
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Diagramas de transformações:. Isotérmicas (TTT);. Resfriamento contínuo (CCT);
• Diagramas de transformações Isotérmicas:. Temperatura constante;. Tempo para a transformação;
(Reação eutetóide)(Reação eutetóide)
.Liga Fe-Fe3C com 0,76%p. C.
.Transformação da austenita em perlita
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Aço eutetóide:
Diagrama TTT:“Transformação tempo-temperatura”“Transformação tempo-temperatura”
Temperatura constante
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Aço eutetóide:
Perlita grossa:
. Desenvolvimento microestrutural:
Perlita fina:
. Transformação controlada pela nucleação da perlita (727 a 540˚C).
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Bainita:
. Micro-constituinte;
. Bainita superior e inferior;
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Bainita:
BainitaSuperior:
Bainita
T - 540˚C
BainitaInferior:
Perlita:
T - 230˚C
727< T< 540˚C
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Martensita:
. Fase metaestável;
. Não-difusional;
. Ocorre por cisalhamento;
. Solução sólida supersaturada;
T < 230˚C
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Aço eutetóide:
• Aço hipoeutetóide:
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Aço hipereutetóide:
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Tipos de martensita:
“Ripas”“Placas”
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
“Ripas”“Placas”
• Tipos de martensita:
.Aço Maraging
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Cementita globulizada (esferoidita):
. Aquecimento em temperatura abaixo da eutetóide;
. Longos tempos;
. Exemplo:700˚C por 18 a 24h.
• Exemplo:
a) Resfriamento rápido até 350˚C, manutenção dessa temperatura por 104s, e em seguida resfriamento rápido até a temperatura ambiente.
b) Resfriamento rápido até 250˚C, manutenção dessa temperatura por 100s, e em seguida resfriamento rápido até a temperatura ambiente.
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
(Aço eutetóide)
até a temperatura ambiente.
c) Resfriamento rápido até 650˚C, manutenção dessa temperatura por 20s, resfriamento rápido até 400˚C, manutenção dessa temperatura por 103s, e em seguida resfriamento rápido até a temperatura ambiente.
Fatores que afetam a curva TTT
• Composição química;
• Tamanho do grão da austenita;
• Homogeneidade da austenita;
Fatores que afetam a curva TTT
• Tamanho do grão da austenita:
• Homogeneidade da austenita:
Fatores que afetam a curva TTT
• Composição química:
.Quase todos elementos de liga (exceto Al, Si e Co) aumentam a estabilidade da austenita, deslocando a curva TTT para a direita.
-Baixa difusividade desses elementos;-Baixa difusividade do carbono;-Al, Si e Co deslocam a curva TTT para a esquerda;-Al, Si e Co deslocam a curva TTT para a esquerda;
• Teor de carbono:
Fatores que afetam a curva TTT
• Composição química:
.Separação das regiões de estabilidade;
.Deslocamento da curva para a direita;
Curvas de resfriamento contínuo
• Deslocamento das curvas de início e fim da transformação;
• Maioria das situações práticas;
Aço eutetóide
. A (FORNO)= Perlita grossa
Curvas de resfriamento contínuo
• Exemplos de meios de resfriamento:
. B (AR)= Perlita + fina
. C (AR SOPRADO). C (AR SOPRADO)= Perlita + fina
. D (ÓLEO)= Perlita + martensita
. E (ÁGUA)= Martensita
Outros fatores importantes
• Efeito do tamanho da peça:
. Diferentes taxas de resfriamento
. Promoção de diferentes microestruturas
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Propriedades mecânicas:
. Aços compostos por perlita fina;. Aumento na resitência à tração e na dureza;
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Propriedades mecânicas:
Alterações microestruturais em ligas Fe-Fe3C
• Resumo: