Estudo Das Curvas Ttt 26164s

ESTUDO DAS CURVAS TTT Profa. Fernanda Bordin MAM 0413

Os diagramas de fase são representativos das condições ideais de resfriamento, ou seja, de equilíbrio termodinâmico. Entretanto, na prática a condição ideal de equilíbrio do resfriamento lento, que determina a formação da microestrutura, nem sempre é mantida. Por razões econômicas, na prática existe pressa em realizar o resfriamento, e ao mesmo tempo garantir o tipo de microestrutura desejado. O tempo então se torna um importante fator. A relação entre a temperatura e o tempo (história) do resfriamento para obter determinada microestrutura é o que se denomina tratamento térmico. A base para o estudo dos tratamentos térmicos é a cinética. Introduz-se uma importante variável, o tempo, que permitirá a construção de um novo tipo de diagrama, denominado TTT (Temperatura, Tempo, Transformação). O diagrama TTT é similar ao diagrama de fase, e permite mapear transformações de difusão de estado sólido (dependentes de tempo) e transformações rápidas, que ocorrem por outros mecanismos (independentes de tempo). O gráfico representativo do diagrama TTT é também conhecido como diagrama de transformação isotérmico. Esta denominação deve-se ao tipo de resfriamento que o mesmo representa:A partir da temperatura eutetoide, resfria-se rapidamente o material até uma determinada temperatura e mantem-se esta constante até que ocorra a transformação da austenita (como visto nos diagramas de equilíbrio, a austenita é instável abaixo da temperatura eutetoide). Assim a transformação da austenita ocorre isotermicamente. A figura abaixo mostra que a evolução da transformação pode ser representada por uma família de curvas, que indicam o percentual de transformação ao longo do tempo.

A seguir mostram-se as transformações difusionais e as transformações sem difusão, muito importantes para os aços, já que inferem diretamente sobre a microestrutura resultante. Transformações Difusionais Referem-se às transformações com mudança de estrutura devidas à migração de átomos por grandes percursos. O diagrama TTT para uma composição específica (Fe com 0,07% de peso em C) é mostrado na figura a seguir: a perlita não é a única estrutura resultante do esfriamento da austenita. A morfologia da perlita é diferente dependendo da temperatura de transformação. Resfriamentos próximos à temperatura eutetoide (de austenitização) levam à formação de perlita de maior tamanho de grão e com lamelas (das fases ferrita e cementita) de maior espessura (perlita grossa). Quanto menor é a temperatura de transformação, menor é o tamanho de grão da perlita e menor é a espessura de lamela. A razão para tal é que são verificadas baixas taxas de nucleação e altas taxas de difusão próximas a temperatura eutetoide, o que resulta em estruturas relativamente grosseiras. Ao reduzir-se a temperatura de transformação, aumenta-se gradativamente a taxa de nucleação e reduz-se a taxa de difusão, resultando em estruturas mais refinadas.

Veja as morfologias e correspondentes temperaturas na figura.

Microestrutura da Perlita Grossa (esquerda) e Fina (centro) Microestrutura da Bainita contendo finíssimas agulhas das fases do Fe( a direita) Portanto: Quando baixamos a temperatura abaixo da temperatura crítica de um aço eutetóide que estava completamente austenítico há maior velocidade de formação da perlita (1o momento) Austenita acima da T crítica estável. Mas com um Rápido resfriamento austenita torna-se instável. Esta austenita possui energia adicional que deve ser liberada através da formação de produtos mais estáveis, como a ferrita e cementita (perlita). Na verdade,a alotropia do ferro é que comanda esta transformação. Transformação difusão é necessária, a qual depende do tempo e temperatura! TS próximas ao ponto eutetóide menor velocidade de transformação. Existe uma Força motriz para a transformação, ou seja uma quantidade de energia livre, a qual é função da diferença de temperatura entre a T eutetóide (T de estabilidade da austenita) e a T de transformação. Isto representa o quanto a austenita está instável! Agora (2o momento) quando a temperatura for muito baixa, a difusão será menos intensa e a velocidade de transformação irá diminuir! Formação do cotovelo da curva. T de transformação baixa mais núcleos sendo formados, mas não crescem muito porque a difusão não é muito intensa. Como resultado, teremos um menor espaçamento entre as lamelas da perlita e ela será considerada perlita fina estruturas mais finas são mais resistentes e tenazes. (Compare o processo de fundição em areia e em coquilha). T de transformação alta perlita grosseira. Nesta situação, poucos núcleos surgem, mas crescem com grande velocidade porque a difusão é alta. Na figua a velocidade de crescimento da perlita em função da temperatura de reação em uma liga ferro-carbono de composição eutetóide.

Reação bainítica: O que acontece quando a T de transformação está abaixo de 500 oC.? Nestas temperaturas, a difusão é bem menos intensa.Esta reação também depende da difusão de átomos de carbono, de forma que é dependente da T e do tempo de transformação.Visto que a temperaturas abaixo de 500 oC a difusão é baixa, a difusão dos átomos de C fica prejudicada, de forma que não forma-se uma rede contínua de cementita. A bainita é, portanto, possui uma microestrutura composta de carbonetos e ferro finamente dispersos sobre uma matriz praticamente isenta de carbono que é a ferrita. Cada placa de bainita é composta por um certo volume de ferrita onde estão incrustadas partículas de carboneto.

Diferença entre os mecanismos de formação da perlita e da bainita. A dificuldade de difusão do carbono faz com que os carbonetos fiquem dispersos na bainita. Bainita superior Bainita inferior

~ 450oC o carboneto é a cementita (ortorrômbico com 6,7% C)> ~250oC o carboneto é o Epsilon (hexagonal com 8,4%C). Esta bainita é mais dura!

Transformações sem difusão (martensíticas) A transformação perlítica descrita acima é de natureza difusional. O diagrama TTT mostrado não dá nenhuma informação abaixo de 250 ºC. Na figura abaixo pode-se ver que ocorre um processo diferente em baixas temperaturas.

Duas linhas horizontais foram adicionadas para representar a ocorrência de um processo sem difusão, conhecido como transformação martensítica. O termo se refere a uma família ampla de transformações sem difusão em metais e não metais. É sempre possível evitar a difusão através do resfriamento rápido da austenita. O preço desta operação é que a austenita permanece instável permitindo a formação de martensita, num processo que gera uma característica fragilidade ao produto final.

Microestrutura da Martensita mostrando estrutura de agulhas

Transformações mistas O diagrama TTT indica ainda uma nova fase: bainita. Na faixa de temperaturas onde ocorre, a difusão do carbono (intersticial) é significativa, no entanto a difusão do ferro (substitucional) é praticamente nula. Tem-se assim uma transformação mista – difusional quanto ao carbono e martensítica quanto ao ferro. O resultado é uma microestrutura de aspecto bastante similar ao da martensita, porém sem a fragilização inerente a esta. Agora para temperaturas próximas a 200oC resfriamento rápido não há tempo para a difusão do carbono e este permanece em solução sólida. - O parâmetro de rede (a) da estrutura CFC é maior - Diâmetro dos maiores interstícios:CFC – 0,104nm; CCC – 0,072nm, Diâmetro do C – 0,154nm Rápido resfriamento Supersaturação em carbono distorção do reticulado cristalino formação da estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado grande aumento de resistência mecânica. - O aumento de dureza ocorre porque a estrutura está com muitas tensões internas e supersaturada em carbono, impedindo o movimento de discordâncias. A dureza depende do teor de carbono. Aços com baixo carbono não poderão ser endurecidos por transformação martensíticas (mínimo=0,3% e dureza máxima ocorre para 0,6%). A reação martensítica é adifusional.

Transformação martensítica.

Estrutura martensítica. Agulhas bem delineadas sobre um fundo de austenita retida. Diagrama Isotérmico: A Figura 5 apresenta o diagrama isotérmico completo de um aço eutetóide.

Figura 1 - Diagrama completo de transformação isotérmica para um aço eutetóide. O diagrama Isotérmico descreve as reações que ocorrem nas temperaturas em que a austenita está instável. As curvas indicadas na Figura 5 representam o início e o final de trasformação. Características do digrama: - Formação de um joelho ou cotovelo na temperatura de aproximadamente 500 oC.

Próximo a 200oC existe uma isoterma que representa o início de transformação martensítica (M S). Para a transformação martensítica, não existe difusão de forma que esta só depende da temperatura (transformação adifusional). Resfriamento do aço e manutenção a uma temperatura fixa: A Figura 6 mostra o diagrama Isotérmico de um aço eutetóide que foi completamente austenitizado e resfriado até a temperatura em que se deseja estudar a transformação. -

Trajetórias arbitrárias temperatura-tempo sobre o diagrama de transformação isotérmica. Rápido resfriamento até 160oC e manutenção da T por 10s. Nesta T, apenas metade da austenita transforma-se em martensita. Microestrutura final é composta por 50% de martensita e 50% de austenita. b. Curva 2 Resfriamento rápido até 250oC e manutenção da T por 100s, com subseqüente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por 100% de martensita. c. Curva 3 Resfriamento rápido até 300oC e manutenção da T por 500s, com subseqüente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por 50% de bainita e 50% de martensita. d. Curva 4 Resfriamento rápido até 600oC e manutenção da T por 10.000s, com subseqüente resfriamento até a T ambiente. Microestrutura final é composta por perlita. O resfriamento subseqüente não mudará nada, independente da velocidade de resfriamento adotada. Diagrama de resfriamento contínuo: Os diagramas isotérmicos foram construídos a partir de um rápido resfriamento seguido de uma estabilização da T por um tempo que permitisse a completa transformação do aço. Observa-se a formação de microestruturas homogêneas, isto é, 100 de uma determinada microestrutura para toda a seção do corpo de prova. Contudo, para a maioria das situações, a transformação do aço não ocorre a uma T constante, mas sim através de uma variação contínua da T. A T decresce continuamente desde a T de austenitização até a T ambiente.Assim, precisamos dos Diagramas de resfriamento contínuo. As transformações nestes diagramas são semelhantes àquelas que ocorrem nos digramas TTT, mas existem algumas modificações pelo fato da T estar variando continuamente a. Curva 1

Influência do tamanho de grão e dos elementos de liga nos diagramas isotérmicos (temperabilidade): Quanto Maior o grão mais para a direita está o cotovelo (maior tempo para o início da transformação).Isto ocorre porque quanto maior é o grão, menor a área de contorno de grão e, portanto, menor a área de sítios preferenciais de nucleação de novas fases, atrasando as transformações. Elementos de liga: Todos os elementos, menos o cobalto, dificultam a difusão dos átomos, deslocando para a direita o cotovelo das curvas de transformação. Assim, as reações são retardadas e as temperaturas de transformação decrescem, inclusive MS. O carbono é o principal elemento, podendo colocar M S abaixo da temperatura ambiente (formação de austenita retida). Temperabilidade:Susceptibilidade de endurecimento por um rápido resfriamento. Capacidade de um aço transformar-se total ou parcialmente de austenita para martensita. Quando se avalia a temperabilidade de um aço, investiga-se a possibilidade do aço eliminar as reações que são dependentes de difusão como a reação perlítica (eutetóide) e bainítica. Dureza formação de martensita é dependente do diâmetro que afeta a velocidade de resfriamento. Elementos de liga efeito deseja-se ter dureza para componentes de grandes seções. Assim, estes elementos aumentam o tempo para a decomposição da austenita. Na temperabilidade, deve-se também observar-se a variação de dureza ao longo da peça, bem como ao longo de seções idênticas fabricadas com aços de diferentes composições. Fatores que afetam a distribuição de dureza: Experimento Várias barras de diâmetros diferentes são austenitizados e resfriados rapidamente, fazendo-se medições de dureza ao longo do diâmetro das barras figuras 1 e 2 a seguir. A adição dos elementos de liga retardam a difusão e, portanto, as reações que dependem desta. Assim, a temperabilidade do material é maior (menor variação de dureza), ou seja, mais tempo para o material se transformar em martensita. Lembrar também do efeito do meio de resfriamento, o qual afeta a velocidade de resfriamento.

Aços 1045 e 6140 (0,6-0,95%Cr, 0,1-0,15%V, 0,4%C).

Figura 2 - Perfis de dureza em barras de aço Figura 3 - Perfis de dureza em barras de aço SAE 1045 SAE 1045 e 6140 temperadas em água. e 6140 temperadas em óleo.

Quedas menos acentuadas de dureza, ao longo da seção da barra, para o aço 6140, devido ao efeito dos elementos de lega. Este efeito é importante quando deseja-se manter uma dureza alta-média para barras de grande diâmetro.

Responder: 1. 2. 3. 4. 5.

O que é difusão? Como a difusão afeta a morfologia da perlita? Descreva a formação da bainita. Ela é difusional ou não? Justifique Porque a transformação da martensita é adifusional? Como o diâmetro pode afetar o resfriamento e a temperabilidade de uma peça de determinado material? 6. Como os elementos de liga afetam a posição das curvas TTT e a temperabilidade de um material?