Prévia do material em texto
Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Diagrama de Fases do Aço Carbono Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Ferro • Símbolo Químico: Fe • Número Atômico (Z): 26 • Peso Atômico: 55,845 • Grupo da Tabela: 8(VIIIB) • Densidade: 7,874 g/cm3 • Ponto de Fusão (PF): 1811,0 K ou 1537,85 ˚C • Ponto de Ebulição (PE): 3134,0 K ou 2860,85 ˚C • Possui 2 elétrons na ultima camada Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Minério de Ferro, • Contém pequenas quantidades de Cal, Sílica, Alumina, Enxofre, Manganês e Magnésio. • Alguns considerados impurezas. Tipo Designação Mineralógica Designação Química Formula Teor Metálico Obs. Carbonato Siderita Carbonato Ferroso FeCO3 25 a45% Escasso no Brasil Magnetita Óxido Ferroso- férrico Fe3O4 40 a 70% Possui propriedades magnéticas Óxidos Limonita Óxido férrico hidratado Fe3O3 3H2O 40 a 6% Utilizado no auto- forno após Pelotização ou sinterização Hematita Óxido férrico Fe2O3 45 a 70% Abundante no Brasil Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Fonte: http://www.vale.com Principais Minas de Ferro no Mundo Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Sinterização e Pelotização • Sinterização: • Minério de ferro, carvão moído, calcário e água • Aquecidos entre 1.000ºC e 1.300ºC derretem superficialmente e formam Sínter. • Pelotização: • O minério de ferro é moído bem fino e umedecido formando um aglomerado. • O aglomerado gira em um moinho até formar pelotas. • Secagem e Queima para o endurecimento. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Ferro-gusa • Material duro e quebradiço, formado por uma liga de ferro e carbono • Matéria-prima para a fabricação do aço e do ferro fundido. • Constituído de minério de ferro mais: • Fundentes: calcário • Desoxidantes: Cal, manganês • Desfosforizantes: manganês (materiais que ajudam a eliminar as impurezas) • Combustíveis: carvão vegetal e o mineral. Coque, derivado da hulha (carvão betuminoso) Produzido a partir do aquecimento do carvão mineral a altas temperaturas Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial 500ºC 1200ºC 1650ºC Auto Forno: Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Minério de ferro, carvão e calcário (carbonato de cálcio) são colocado no alto-forno. • A combustão do carvão produz energia térmica necessária para a produção do monóxido de carbono (CO). 2𝐶 + 𝑂2 → 2𝐶𝑂 • O calcário, decompõe-se em óxido de cálcio (CaO) e gás carbônico. 𝐶𝑎𝐶𝑂3 → 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2 • Os óxidos de ferro sofrem redução; 𝐹𝑒2 + 3𝐶𝑂 → 2𝐹𝑒 3𝐶𝑂2 Produção do Ferro-gusa Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • O óxido reage com as impurezas, areia (SiO2), alumina (Al2O3), etc., formando a escória 𝐶𝑎𝑂 + 𝑆𝑖𝑂2 → 𝐶𝑎𝑆𝑖𝑂3 • Reação global : 2𝐹𝑒2𝑂3 + 6𝐶 + 3𝑂2 → 4𝐹𝑒 + 6𝐶𝑂2 • Elementos da ganga são parcialmente reduzidos, algumas impurezas são incorporadas ao gusa. • 1,5 a 4,5% de carbono, de 0,7 a 3,0% de silício e de 0,1 a 0,3% de fósforo. • Essa composição torna o ferro extremamente quebradiço. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Ferro Fundido: • Quando a quantidade de carbono presente no metal ferroso fica entre 2,0 e 4,5%. • Aço: • Quando a quantidade de carbono for menor do que 2%. Diferença entre o Aço e o Ferro Fundido. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Alotropia: Capacidade de um elemento químico formar diferentes substâncias simples, que diferem entre si no que diz respeito a suas estruturas cristalinas ou atomicidade . Alotropia do Ferro Puro • Carbono Diamante Grafite Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Até 912°C: Ferrita Alfa (α), apresenta estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC). • De 912 a 1394°C: Ferro Gama (γ) ou Austenita, ocorre transição para a fase γ de estrutura Cúbica de Faces Centradas (CFC) . • De 1394 a 1538°C : Ferrita Delta (δ), estrutura cristalina Cúbica de Corpo Centrado (CCC). • Acima de 1538°C: Ferro Líquido. Torna-se amorfa, sem ordenação cristalina, caracterizando o estado líquido. • Acima de 2880°C: O ferro passa ao estado gasoso. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Alotropia do Ferro Puro Ferro Líquido Ferrita (δ) CCC Austenita (γ) CFC Ferrita (α) CCC Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Austenita 𝑭𝒆 − 𝜸: • Solução sólida de carbono em ferro gama. • É estável Somente a temperaturas superiores a 723ºC, em temperaturas inferiores forma ferrita e cementita por reação eutetóide. • É deformável como o ferro gama, pouco dura, apresenta grande resistência ao desgaste, • É magnética, e é o constituinte mais denso dos aços e não é atacada por reagentes. • Pode dissolver até 1,7 – 1,8 % de carbono. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Ferrita 𝑭𝒆 − 𝜶: • Formado por uma solução sólida de inserção de carbono em ferro alfa. • É o constituinte mais mole dos aços porém é o mais tenaz, e o mais maleável, sua resistência a tração é de 28 daN/mm2 e alongamento de 35%. • Solubilidade máxima é de 0,008 %. • Apresenta-se nos aços como constituinte e misturada com a cementita para formar parte da perlita. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Cementita: carboneto de ferro, Fe3C, 6,67% de carbono e 93,33% de ferro. • Estável na temperatura ambiente e não se decompõe. • Quando aquecido em altas temperaturas é uma fase metaestável, pode decompor-se em ferrita e em grafita. • Forma-se quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita é excedido a temperaturas abaixo de 727°C. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial • Perlita: mistura eutetóide de duas fases, ferrita e cementita, a 723 °𝐶 com 0,8 % de Carbono. • Estrutura constituída por lâminas alternadas de ferrita e cementita. • É mais dura e resistente que a ferrita, porém mais branda e maleável que a cementita. • Imagem obtida por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) de uma perlita. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial DIAGRAMA 𝐹𝑒 − 𝐹𝑒3𝐶 • AUSTENITA – 𝐹𝑒 − 𝛾 - FCC • FERRITA – 𝐹𝑒 − 𝛼 - CCC • PERLITA – Microestrutura formada por finas camadas de 𝐹𝑒3𝐶 numa matriz de 𝐹𝑒 − 𝛼 • CEMENTITA – 𝐹𝑒3𝐶 Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Austenita Concentração de Carbono (%) Cementita (Fe3C) Austenita Austenita Cementita Cementita Ferrita Ferrita δ-Fe Temp. (°C) Austenita Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial EUTÉTICA l +Fe3C EUTETÓIDE +Fe3C PERITÉTICA +l Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial LIGA EUTÉTICA: corresponde à liga de mais baixo ponto de fusão Líquido FASE (austenita)+ cementita Temperatura= 1148 C Teor de Carbono= 4,3% As ligas de Ferro fundido de 2,1-4,3% de C são chamadas de ligas hipoeutéticas. As ligas de Ferro fundido acima de 4,3% de C são chamadas de ligas hipereutéticas Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial LIGA EUTETÓIDE Austenita → FASE (FERRITA) + Cementita Temperatura= 727 C Teor de Carbono= 0,77 % Aços com 0,02-0,77% de C são chamados de aços hipoeutetóides. Aços com 0,77-2,1% de C são chamadas de aços hipereutetóides. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Aço Hipoeutetóide abaixo de 0,8% C • Ponto A: austenitização do aço • Ponto B: início da formação da ferrita primária a partir da austenita • Ponto C: a reação Υ↔α+ Fe3C se inicia • Pontos D e E: microestrutura final de Perita e Ferrita pró eutetóide • São macios e apresentam elevada ductilidade, boa soldabilidade e baixa resistência mecânica. • Quando resfriados lentamente, consiste em ferrita e perlita primária Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Aço Hipoeutetóide abaixo de 0,8% C Ferrita Perlita Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial TRANSFORMAÇÃO NOS AÇOS HIPOEUTETÓIDES Teor de carbono abaixo de 0,8% C a. Nucleação e crescimento da ferrita (𝐹𝑒 − 𝛼) nos contornos de grão da austenita (𝐹𝑒 − 𝛾). b. Crescimento da ferrita (𝐹𝑒 − 𝛼). Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial c. Crescimento de perlita a partir da austenita residual. d. Microestrutura de um aço 0,4% C resfriado lentamente. Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Aço Eutetóide 0,8 %C • Ponto A: Austenitização do aço • Ponto B: início da formação da Perlita a partir da austenita; (reação Υ↔α+ Fe3C) • Ponto C: microestrutura final (perlita) • São resistentes e muito pouco dúcteis. Quando resfriados lentamente do campo austenítico, apresentam uma microestrutura de 100% de perlita Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Aço Eutetóide 0,8 %C Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Aço Hipereutetóide 0,77 e 2,11% C • Ponto A: austenitização do aço • Ponto B: formação dos núcleos de Cementita pró-eutetóide nos contornos da Austenita; • Ponto C: início da formação da Perlita a partir da austenita; • Ponto D: a reação se completa • A microestrutura, obtida no resfriamento lento da austenita, é constituída de cementita em alguns contornos dos grãos de perlita Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Aço Hipereutetóide 0,77 e 2,11% C Prof. MSc. Vicente Oliveira Vicente Oliveira Engenharia Materiais de Produção Industrial Hipereutetóide Eutetóide Hipoeutetóide