Frederico A.P. Fernandes - feis.unesp.br · •Recuperação, recristalização e crescimento de grão: .Deformação plástica em baixas temperaturas: mudança a forma dos grãos,

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:


• 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



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.



.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.


• Nucleação heterogênea:

IL - Energia interfacial IL

SI - Energia interfacial SI

SL - Energia interfacial SL

- Ângulo de molhamento

Energia livre crítica ou de ativação (∆G*):


• 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


.

Aplicações:-sólido-vapor;-sólido-líquido;-sólido-sólido;

.Taxa global??


• Solidificação:

. Zona coquilhada;

. Zona colunar;

. Zona equiaxial;

(Seção de um lingote após vazamento)

sólido


• Transformações no estado sólido:

.Energias envolvidas:

Volume transformado

.Volume;

.Superfície;

.Deformação;

sólido Nova interface sólido-sólido

transformado


• 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:


• Exemplo:.Recristalização de cobre (Cu) deformado à frio;.Processo difusional;

.Comportamento da maioria das reações no estado sólido;


• 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;


• 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...


• Recuperação:

. Estrutura deformada > Aniquilação > Rearranjo


• Recristalização e crescimento de grão em latão (Cu-Zn):

33% (RD) 3s 580C 4s 580C

8s 580C 15min 580C 10min 700C


• 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


• Recristalização e crescimento de grão:

. Deformação crítica: 2-20%;

. Deformação a frio aumenta a taxa de recristalização;

Ferro puro


• 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


• Aço eutetóide:

Diagrama TTT:“Transformação tempo-temperatura”“Transformação tempo-temperatura”

Temperatura constante



Perlita grossa:

. Desenvolvimento microestrutural:

Perlita fina:

. Transformação controlada pela nucleação da perlita (727 a 540˚C).


• Bainita:

. Micro-constituinte;

. Bainita superior e inferior;


• Bainita:

BainitaSuperior:

Bainita

T - 540˚C

BainitaInferior:

Perlita:

T - 230˚C

727< T< 540˚C


• Martensita:

. Fase metaestável;

. Não-difusional;

. Ocorre por cisalhamento;

. Solução sólida supersaturada;

T < 230˚C



• Aço hipoeutetóide:


• Aço hipereutetóide:



• Tipos de martensita:

“Ripas”“Placas”


“Ripas”“Placas”

• Tipos de martensita:

.Aço Maraging


• 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.


(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;


• Tamanho do grão da austenita:

• Homogeneidade da austenita:


• 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:


• 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


• Propriedades mecânicas:

. Aços compostos por perlita fina;. Aumento na resitência à tração e na dureza;


• Propriedades mecânicas:


• Resumo:

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