Capítulo 1 - Diagrama de Equilíbrio 09 5 2024 METALURGIA FISICA E TRATAMENTOS TÉRMICOS

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Materiais e Metalurgia da Soldagem 
Jose Rubens G. Carneiro 
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Capítulo 1: Diagrama de Equilíbrio
2024
 
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Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Capítulo 1: Diagrama de Equilíbrio 
 1- Conceitos Iniciais 	
Diagramas de fases são mapas que permitem prever a microestrutura de um material em função da temperatura e composição de cada componente;
 Fase é uma porção homogênea do material que tem propriedades físicas ou químicas uniformes. Se mais de uma fase estiver presente em um sistema, cada fase terá suas próprias propriedades individuais , e existirá uma fronteira
separando as fases, da qual haverá uma mudança descontínua e abrupta nas
características físicas e / ou químicas. 
Um sistema está em equilíbrio quando sua energia livre se encontra em um valor mínimo para uma combinação específica de temperatura, pressão e composição. Em um sentido macroscópico, isto significa que as características do sistema não mudam ao longo do tempo, mas persistem indefinidamente; isto é, o sistema é estável. Uma alteração na pressão, na temperatura e/ou na composição de um sistema em equilíbrio irá resultar em um aumento na energia livre e em uma possível mudança espontânea para outro estado onde a energia livre seja reduzida.			 
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Jose Rubens G. Carneiro 
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Capítulo 1: Diagrama de Equilíbrio 
1. Diagrama de Fases 
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Eles são construídos admitindo condições de equilíbrio (resfriamento lento), e a partir dele se obtém as seguintes informações:
– Quais as fases presentes para diferentes composições e temperaturas
– Em condições de equilíbrio, qual a solubilidade no estado sólido de um elemento em outro.
– Qual a temperatura em que uma liga começa a solidificar, e o intervalo de temperaturas em que isto ocorre.
– A temperatura em que as diferentes fases começam a fundir.
1. Diagrama de Fases 
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1. Influência da Temperatura e da Pressão
Diagrama de fase unário – Diagrama de fase para um sistema de um componente; 
 - Regra das fases 
 P + F = C + 2 
P = número de grau de liberdade ; 
F = número de fases ; 
C = número de componentes ;
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1. Diagrama de Fases Isomorfo 
Diagrama Isomorfo é um sistema formado por dois componentes quimicamente semelhantes e têm solubilidade “quase” completa no estado sólido . A região acima da linha superior do diagrama, liquidus, corresponde à região de estabilidade da fase líquida, e a região abaixo da linha inferior, solidus, é a região de estabilidade da fase sólida. A área entre as duas linhas representa uma região bifásica, na qual coexistem as fases líquida e sólida.
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1. Diagrama de Fases Isomorfo
1- Interpretação do diagrama de equilíbrio 
Fases presentes - localiza-se a temperatura e composição desejada e verifica-se o número e quais as fases presentes; 
. 
Sistema monofásico a composição é a mesma da liga. Ex: Ponto A - 60% Ni e 40% Cu. 
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1.a Regra das Fases ou Regra de Gibbs
 - Regra das fases 
 P + F = C + 2 
P = número de grau de liberdade ; 
F = número de fases ; 
C = número de componentes ;
Diagrama de Equilíbrio Binário pressão constante = 1 atm
P + F = C + 1 ;
Campo Bifásico F = 2 ; C = 2 ; P = 1 grau de liberdade
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1. Fabricação da Liga 
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1. Conformação Mecânica 
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1.b Diagrama de Fases Isomorfo Regra da Horizontal Composição das Fases 
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Diagrama de Fases Isomorfo Quantidade das fases 
Proporção ou quantidades das fases no diagrama Isomorfo
Sistema Bifásico - Linha de amarração é construída através da região bifásica na temperatura da liga composição global da liga é localizada sobre a linha de amarração; 
A fração de uma fase é calculada tomando-se o comprimento da liga de amarração desde a composição global
até a fronteira entre fases com a outra fase e então dividindo-se esse valor pelo comprimento total; 
A fração da outra fase é determinada de maneira semelhante; 
 
 
 
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Diagrama de Fases Isomorfo Quantidade das fases 
 Regra da Alavanca 
 
 
 
 
 
 ; 
 
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1.c Regra da Alavanca ou Segmentos Inversos 
Obs.: Regra da alavanca em diagramas de fase:
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Especificação de concentração atômica 
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 Concentração em kg/m^3 -Densidade da Liga 
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Massa Atômica da Liga
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1. Diagrama de Fases Isomorfo
- Composição das fases
Sistema bifásico- Constrói-se uma linha de amarração através da região bifásica à temperatura da liga; 
Anotam-se as intersecções da linha de amarração com as fronteiras entre as fases em ambos os lados; 
Traçam-se linhas perpendiculares à linha de amarração a partir dessas intersecções até o eixo horizontal das composições, onde a composição em cada uma das respectivas fases pode ser lida;
 
 
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Diagrama de Fases Isomorfo 
Passos para calcular as composições: 
 FASE LÍQUIDA 
 
 FASE SÓLIDA:
 
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 Exercícios 
1- Relativamente ao diagrama de fases da água pura , é incorreto afirmar que, no ponto:
 
a) A , tem-se o equilíbrio entre água sólida e água líquida.
b) B, tem-se o equilíbrio entre água líquida e vapor.
c) C, tem-se , somente, água na fase vapor.
d) T, as três fases coexistem em equilíbrio.
e) D, coexistem as fases vapor e líquida.
2- Prata(Ag)(massa atômica=107,868 uma) e Paládio(Pd)( massa atômica=106,4uma) são completamente solúveis um no outro tanto no estado líquido quanto no sólido. O ponto de fusão da Ag é 961,93°C e o do Pd é de 1566°C.Uma liga contendo 10% em peso de Pd começa a solidificar a 1050°C formando cristais com 15% em peso de Pd.Uma liga com 30% em peso de Pd começa a solidificar a 1200°C, formando cristais com 38% em peso de Pd. Uma liga com50% de Pd em peso começa a solidificar a 1320°C, formando cristais com 65% de Pd. Uma liga com 80% de Pd em peso começa a solidificar a 1500°C, formando cristais com 95% de Pd.
 a) Desenhe esquematicamente o diagrama de equilíbrio do sistema Ag-Pd. Identifique todos os pontos, linhas e áreas.
b) Para uma liga contendo 60% em peso de Pd:
	1) Indique a temperatura de início de solidificação.
	2) Indique a temperatura de final de solidificação.
	3) Indique a composição química, quantidade relativa das fases presentes e densidade da liga à temperatura 900 °C, sabendo que as densidades da prata e paládio são, respectivamente, de 10,49 e 12,02g/cm3. 
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Exercícios
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Exercícios
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Exercícios Diagrama Ag-Pd
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Ponto de Fusão da Prata ( Ag ) = 961, 63 °C
Ponto de Fusão Paládio ( Pd) = 1566 °C
Linha Liquidus ; linha Solidus 
Composição da liga em peso: 
Temperatura 900 °C : 
Densidade da Liga = 
 Exercício 2 
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Sistemas Binários Eutéticos
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Sistemas Binários Eutéticos
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Sistemas Binários Eutéticos
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Sistemas Binários Eutéticos - Diagrama Pb -Sn
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Exercícios 
16. a) Dado o diagrama de equilíbrio Pb-Sn , determine para a liga contendo 10 e 40% de Sn em peso , respectivamente, nas temperaturas de 183°C e ambiente :
1) As fases presentes.
2) A composição de cada fase.
 3) A quantidade relativa de cada fase (quando possível).
6.b) Calcule as quantidades relativas de cada fase presente em termos (a ) fração mássica ; (b) fração volumétrica , sabendo que as densidades do Pb e do Sn a 150 °C são 11,23 e 7,24 g/ cm^3. 
 
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Fração Volumétrica das fases ; 
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Sistemas Binários Eutéticos Pb-Sn
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Sistemas Binários Eutéticos
Diagrama Eutético com solução sólida limitada 
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Sistemas Binários Eutéticos
 Diagrama Eutético sem solução sólida 
 
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Exercícios 
28-a) Alumínio(ponto de fusão de 660°C) e Silício (ponto de fusão de 1414°C) são completamente solúveis no estado líquido. Eles formam um eutético a 577°C contendo 12,5% de Si. 
 L ( 12,5%Si)  (3,0%Si) + (99,5%Si) temperatura=577°C
Uma liga contendo 80%Si começa a solidificar a 1300°C e termina a solidificação a 577°C. Uma liga contendo 20%Si começa a solidificar a 700°C e termina a solidificação a 577°C. Uma liga contendo 8%Si começa a solidificar a 620°C e termina a solidificação a 577°C. A solubilidade do Si no Al à temperatura de 300°C é 1% e do Al no Si é 0,5%.
 a) Desenhe esquematicamente o diagrama de equilíbrio de fases indicando todos os pontos, linhas e áreas.
b) Para uma liga contendo 12,5% Si:
	1) Indique a temperatura de início e final de solidificação.
	2) Determine a composição química e a quantidade relativa das fases presentes em equilíbrio a 600; 577 e 300°C para a liga de composição 12,5 %Si?.
	3) Esquematize a microestrutura desta liga à temperatura de 576°C e determine a quantidade relativa do constituinte proeutético. 
 4) Trace a curva de resfriamento para a liga com 12,5% Si da temperatura de 1400 à temperatura de 300°C 
 
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Exercício Diagrama Al-Si 
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b.1 ) T = 600 °C ;1 fase líquida L composição (12,5%Si , 87,5%Al ) ; 100% da fase L 	
b.2) T = 577 °C
 fase líquida L ( 12,5%Si , 87,5%Al ) ; fase a ( 97% Al , 3%Si%) ; fase b ( 0,5%Al , 99,5%Si) não se aplica regra da alavanca no campo de três fases. 
b.3) T = 300 °C ; fase a ( 99% Al , 1%Si%) ; fase b ( 0,5%Al , 99,5%Si)
Exercício Liga Eutética Diagrama Al-Si 
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Exercício Liga Eutética Diagrama Al-Si 
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b.3) T = 300 °C ; fase a ( 99% Al , 1%Si%) ; fase b ( 0,5%Al , 99,5%Si)
 Exercício Liga Eutética Al-Si 
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Microestrutura da Liga Hipoeutética Al-Si 
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Curva Temperatura - tempo 
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28- b)Alumínio(ponto de fusão de 660°C) e Silício (ponto de fusão de 1414°C) são completamente solúveis no estado líquido. Eles formam um eutético a 577°C contendo 12,5% de Si. 
 L ( 12,5%Si)  (3,0%Si) + (99,5%Si) temperatura=577°C 
Uma liga contendo 80%Si começa a solidificar a 1300°C e termina a solidificação a 577°C. Uma liga contendo 20%Si começa a solidificar a 700°C e termina a solidificação a 577°C. Uma liga contendo 8%Si começa a solidificar a 620°C e termina a solidificação a 577°C. A solubilidade do Si no Alumínio à temperatura de 300°C é 1% e do alumínio no Si é 0,5%.
 a) Desenhe esquematicamente o diagrama de equilíbrio de fases indicando todos os pontos, linhas e áreas.
b) Para uma liga contendo 8% Si:
	1) Indique a temperatura de início e final de solidificação.
	2) Determine a composição química e a quantidade relativa das fases presentes em equilíbrio a 578 e 576°C para a liga de composição 8 %Si?.
	3) Esquematize a microestrutura desta liga à temperatura de 576°C e determine a quantidade relativa do constituinte proeutético. 
Exercício Liga Proeutética Diagrama Al-Si 
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Conformação dos Metais
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Liga Hipoeutética Diagrama Al-Si 
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Conformação dos Metais
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Al-Si 
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31. Alumínio(ponto de fusão de 660°C) e gálio (ponto de fusão de 29,77°C) são completamente solúveis no estado líquido e têm solubilidade limitada no estado sólido. Eles formam um eutético a 26,5°C contendo 99,2% em peso de Ga.Uma liga contendo 30%Ga começa a solidificar a 600°C e termina a solidificação a 26,5°C. Uma liga contendo 50%Ga começa a solidificar a 500°C e termina a solidificação a 26,5°C. Uma liga contendo 60%Ga começa a solidificar a 420°C e termina a solidificação a 26,5°C. Uma liga contendo 80%Ga começa a solidificar a 300°C e termina a solidificação a 26,5°C. Uma liga contendo 99,8%Ga, começa a solidificar a 28°C e termina a solidificação à temperatura de 26,5°C.
 L ( 99,2%Ga)   ( 20%Ga) +Ga temperatura=26,5°C
 a) Desenhe esquematicamente o diagrama de equilíbrio de fases indicando todos os pontos, linhas e 
áreas.
b) Para uma liga contendo 30%Ga:
	1) Indique a temperatura de início e final de solidificação.
	2) Determine a composição química e a quantidade relativa das fases presentes em equilíbrio a 0°C.
	3) Esquematizea microestrutura desta liga à temperatura ambiente e determine a quantidade relativa do constituinte proeutético. Trace a curva de resfriamento temperatura em função do tempo para essa liga da temperatura de 700 até -100°C .
 Diagrama Al-Ga 
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 Diagrama Al-Ga 
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 Curva Temperatura tempo Diagrama Al-Ga 
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Sistemas Binários Peritéticos
Reação peritética é uma reação invariante , P = 0, em que , no resfriamento, duas fases se transformam em uma única fase . 
 
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Reações Invariantes 
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t
 Sistemas Binários Peritéticos
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Exercício Diagrama Re-Ni
4-Níquel(ponto de fusão de 1455°C) e Rênio (ponto de fusão de 3186°C) são completamente solúveis no estado líquido. Eles formam um peritético a 1620°C contendo 40% de Re. 
 L ( 29,6%Re) +  ( 94%Re)  α (40,1%Re) temperatura=1620°C
Uma liga contendo 55%Re começa a solidificar a 2100°C formando cristais com 96%Re ,e termina a solidificação a 1620°C. Uma liga contendo 90%Re começa a solidificar a 2800°C formando cristais com 98%Re , e termina a solidificação a 1620°C. Uma liga com 10%Re começa a solidificar a 1550°C e termina a solidificação a 1490°C. A 1100°C, a liga com 60%Re apresenta duas fases cujas composições são α ( 30%Re, 70%Ni) e ( 96%Re,4%Ni). A solubilidade do Re no níquel a temperatura de 600°C é 15%Re e do níquel no Re é 2%.
 a) Desenhe esquematicamente o diagrama de equilíbrio de fases indicando todos os pontos, linhas e áreas.
b) Para uma liga contendo 70% Re:
	1) Indique a temperatura de início e final de solidificação.
	2) Determine a composição química e a quantidade relativa das fases presentes em equilíbrio a 1619°C.
	3) Esquematize a microestrutura desta liga à temperatura 1619°C e determine a quantidade relativa do constituinte properitético. 
 4) Determine a composição química e a quantidade relativa das fases presentes em equilíbrio a 600°C.
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Exercício Diagrama Re-Ni
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Ni-Re 
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Re-Ni
1) 2800 oC
 1620 oC
2) T=1619 oC
 Componentes da liga a 70% Re são:
-a
-b
Composição:
-a 40,1% Re -b 6% Ni
 59,9% Ni 94% Re 
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Re-Ni
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Re-Ni
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Pd-W
35. Paladio(ponto de fusão de 1555°C) e Tungstênio(ponto de fusão de 3422°C) são completamente solúveis no estado líquido. Eles formam um peritético a 1815°C contendo 33% de W. 
 L ( 23%W) +  (97%W)  α (33%W) temperatura=1815°C
Uma liga contendo 50%Pd começa a solidificar a 2250°C formando cristais com 95%W, e termina a solidificação a 1815°C. Uma liga contendo 80%Pd começa a solidificar a 1800°C formando cristais com 30%W, e termina a solidificação a 1575°C. Uma liga com 90%Pd , começa a solidificar a 1600°C e termina a solidificação em 1575°C. A 1000°C, a liga com 90%W apresenta duas fases cujas composições são  ( 1%Pd) e α ( 33%W). A solubilidade do Pd no W à temperatura de 600°C é 0,5%Pd e a composição de α ( 33%W) nessa temperatura.
a) Desenhe esquematicamente o diagrama de equilíbrio de fases indicando todos os pontos, linhas e 
áreas.
b) Para uma liga contendo 70% W:
	1) Indique a temperatura de início e final de solidificação.
	2) Determine a composição química e a quantidade relativa das fases presentes em equilíbrio a 1816°C.
	3) Esquematize a microestrutura da liga à temperatura de 1000°C e determine a quantidade relativa do constituinte properitético. 
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Pd-W
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Conformação dos Metais
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Exercício Diagrama Pd-W
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36. O diagrama binário Os(3033°C)-Rh(1963°C) é um diagrama peritético simples que contém a reação:
 
 L (35%Rh) +  ( 19%Rh)   (31%Rh) temperatura=2600°C 
 
Uma liga com 5% Rh começa a solidificar a 3000°C e termina a solidificação a 2950°C. Essa liga com 5% de Rh , na temperatura de 1000°C, apresenta a fase única  . Uma liga contendo 12%Rh começa a solidificar a 2800°C e termina a solidificação a 2750°C, resultando em fase . À temperatura de 1500°C, a liga contendo 20%Rh apresenta a fase  cuja composição é 35% Rh e 65%Os e a fase  com 12%Rh e 88% Os. À temperatura de 1250°C, a liga contendo 20%Rh apresenta a fase  cuja composição é 40% Rh e 60%Os e a fase  com 10%Rh e 90% Os. Uma liga com 30% Rh começa a solidificar a 2700°C e termina a solidificação a 2600°C. Essa liga com 30% de Rh , na temperatura de 2000°C, apresenta a fase  cuja composição é 30% de Rh e 70% de Os e a fase  com composição de 15%Rh e 85% de Os. Uma liga com 60% Rh , à temperatura de 1500°C, contém somente fase  . 
Uma liga contendo 80%Rh começa a solidificar a 2250°C e termina a solidificação a 2100°C. Essa liga com 80%Rh , à temperatura de 1000°C, apresenta uma única fase . A fase  é uma solução sólida do Os no Rh. A solubilidade do Rh no Os é 10%Rh à temperatura de 1000°C e a solubilidade do Os no Rh é de 39%Os nessa mesma temperatura. 
a)Desenhe uma curva de resfriamento esquemática para a liga de 25% Rh resfriada lentamente desde o estado líquido e especifique as fases presentes em cada segmento de curva. Como você explica a observação experimental de uma liga de composição peritética (31%Rh em peso ) contém certa quantidade de  após resfriamento até a temperatura ambiente? 
 Exercício Diagrama Os-Rh
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 Exercício Diagrama Os-Rh
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Diagrama Temperatura - tempo 
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Conformação dos Metais
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37. Osmio(ponto de fusão de 3033 °C) e Platina (ponto de fusão de 1768 °C) são completamente solúveis no estado líquido. Eles formam um peritético a 1955 °C contendo 75% de Pt. 
 L ( 84%Pt) +  ( 10%Pt)  α (75%Pt) temperatura=1955 °C
Uma liga contendo 50%Pt começa a solidificar a 2500 °C e termina a solidificação a 1955 °C. Uma liga contendo 20%Pt começa a solidificar a 2900 °C e termina a solidificação a 1955 °C. Os cristais formados têm composição de 97%Os/3%Pt. Essa liga contendo 20%Pt , à temperatura de 1000°C, tem a fase  com 5%Pt e 95% de Os e a fase α com 80% de Pt e 20% de Os. A fase α é uma solução sólida do ósmio na platina. A solubilidade da Pt no Os é 8%Pt à temperatura de 1500 °C e a composição da fase α é 75% de Pt nessa temperatura de 1500 °C. Uma liga com 90%Pt começa a solidificar a 1900°C e termina a solidificação a solidificação a 1850 °C, formando fase α . 
a) Desenhe esquematicamente o diagrama de equilíbrio de fases indicando todos os pontos, linhas e 
áreas.
b) Para uma liga contendo 40% Pt:
	1) Indique a temperatura de início e final de solidificação.
	2) Determine a composição química e a quantidade relativa das fases presentes em equilíbrio a 2000°C.
	3) Esquematize a microestruturadesta liga à temperatura de 1000°C e determine a quantidade relativa do constituinte properitético. 
 Exercício Diagrama Os-Pt
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Exercício Diagrama Os-Pt
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Conformação dos Metais
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Sistemas Binários Peritéticos 
A reação peritética pode ser escrita : 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Fases Intermediárias ou Compostos Intermetálicos 
Soluções sólidas terminais existem em faixas de composições próximas às concentrações extremas do diagrama;
Fases Intermediárias ou solução sólida intermediária podem ser encontradas em outras composições da liga que não as extremas ; 
Compostos Intermetálicos podem ser encontrados nos diagramas com fórmulas químicas distintas ; 
Pb 
24,40g ------------6,02.10^23 átomosMg ; 
19 g ---------------x átomos de Mg x=4,7.10^23 átomosMg
207,2g ------------6,02.10^23 átomosPb
81g -----------------y átomos de Pb y= 2,35.10^23átomosPb 
‹nº›
Conformação dos Metais
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Transformação Congruente 
Diagrama Ti-Ni em que se mostra ponto congruente a 1310°C na composição de 44,9%Ti (fase g).
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Transformação Congruente 
Transformação é qualquer alteração da matéria 
Congruente não há alteração de composição química das fases envolvidas 
Transformações incongruentes , pelo menos uma das fases experimenta uma mudança na composição 
Exemplos transformação congruente: transformação alotrópica e ponto de fusão de materiais puros.
Fases intermediárias se classificam baseadas na fusão congruente ou incongruente
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
41. Duas transformações eutéticas no sistema Mg - Pb são:
 L (66,8% em peso Pb)   (41,7% em peso Pb) + Mg2Pb(85% em peso Pb;15% em peso de Mg)
 L (97,8% em peso Pb)  Mg2Pb (85% em peso de Pb;15% em peso de Mg) +  (99,3% em peso Pb)
Imediatamente após o término da reação eutética, em uma liga com 20% em peso de Mg:
a) Que percentagem em peso da liga é proeutético Mg2Pb?
b) Que percentagem em peso da liga é Mg2Pb pertencente ao sólido eutético?
 Exercícios 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Preencha as fases do diagrama Mg-Ni, e trace a curva de resfriamento para a liga 70%Ni da temperatura de 1400 até 200°C ?
 Exercícios 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Curva de Resfriamento 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Diagrama de Equilíbrio 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Diagrama de Equilíbrio 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
 Figura 1.7: Diagrama de fases ferro-cementita.
Ligas de ferro com carbono formam os aços. As temperaturas de transformação de fases são alteradas pela presença do carbono (ou outros elementos), e isto é visto no diagrama de fases ferro-cementita.
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Figura 1.1: A estrutura cúbica de corpo centrado (CCC):
(a) modelo de esferas rígidas; (b) célula unitária; e (c) monocristal com muitas células
(Segundo S. Kalpakjian e S.R. Schmid. “Manufacturing, Engineering & Technology”, 5a. Ed.) 
1. Estrutura cristalina dos metais - introdução
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Figura 1.2: A estrutura cúbica de face centrada (CFC):
(a) modelo de esferas rígidas; (b) célula unitária; e (c) monocristal com muitas células
(Segundo S. Kalpakjian e S.R. Schmid. “Manufacturing, Engineering & Technology”, 5a. Ed.) 
1. Estrutura cristalina dos metais - introdução
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Figura 1.3: A estrutura hexagonal compacta (HC):
(a) célula unitária; e (b) monocristal com muitas células
(Segundo S. Kalpakjian e S.R. Schmid. “Manufacturing, Engineering & Technology”, 5a. Ed.) 
1. Estrutura cristalina dos metais - introdução
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais – difração de Raios-X
Figura 1.4: Espectro de difração de Raios-X em ferrita (CCC). Radiação Cobalto Kα
Quando examinado pela técnica de difração de Raios –X , um material com estrutura cúbica CCC apresenta picos em posições diferentes daquele material com estrutura cúbica CFC. As reflexões nos planos atômicos aparecem em posições bem definidas e cada raia é a reflexão em um dado plano (indicado pelo seu índice de Miller. Veja Apêndices 3 e 4).
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais – ferro puro
Para ferro puro a estrutura pode variar dependendo da temperatura, sendo que vários outros fenômenos importantes também ocorrem no aquecimento: dilatação, transformação magnética, liberação (absorção) de calor. 
Obs.: . No aquecimento, a cada transformação de fases corresponde uma absorção de calor do meio ambiente. No resfriamento, a cada transformação de fases corresponde um desprendimento de calor para o meio ambiente, chamado de recalescência.
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Alotropia do Ferro 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Efeito da pressão no diagrama Fe-C 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Ponto Congruente 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Estrutura cristalina dos metais - aços
a) Fotomicrografia das fases ferrita ( a) austenita (b) e perlita que consiste de lamelas alternadas de ferrita e cementita Fe3C .
(a) ferrita Fe (b) austenita (c) perlita que consiste de lamelas alternadas de ferrita e cementita Fe3C .
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Nome das fases:
Ferrita alfa (fase alfa CCC)
Ferrita delta (fase delta CCC)
Austenita (fase gama CFC)
Cementita (composto Fe3C)
Perlita (alfa+Fe3C eutetóide)
4. Estrutura cristalina dos metais - aços
 Figura 1.14: O nome das fases no diagrama. Note as linhas A1, A3 e Acm.
Observações: 
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas
SAE = Society for Automotive Engineering
Fe3C (Cementita)
A1
Acm
A3
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
Este diagrama é de muita utilidade no estudo dos tratamentos térmicos, e é também usado na definição dos aços, conforme mostrado. Este diagrama na realidade está incompleto (vai até apenas 6,69%C, que é a composição da cementita), não sendo na realidade um diagrama de equilíbrio (a transformação de cementita em grafite é, no entanto, dificilmente observada).
Os aços são, então, ligas de ferro-carbono na faixa de 0-2,1%C. Estes, por sua vez, são subdivididos em:
	Aços hipoeutetóides: aços com carbono menor do que 0,77%
	Aços eutetóides: acos com carbono de 0,77%
	Aços hipereutetóides: carbono de 0,77 a 2,1%
		
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais – aços: resumo
AÇOS AO CARBONO 
•
Grande ductilidade
•
Bons para extenso 
trabalho mec
â
nico e 
para soldagem
•
Indústria automobilística e “linha branca”.
Baixo Carbono
(%C < 
0,3
)
Médio Carbono
(0,3 < %C < 
0,6
)
Alto Carbono
(%C > 
0,6
)
•
•
Média resistência, muito usados na construção civil e agropecuária.
Podem ser ligados para facilitara têmpera e revenimento.
•
F
á
ceis de 
trefilar 
e 
podem produzir arames 
de alta resist
ê
ncia
•
Cabos, arames, 
filamentos, cordoalhas
 Figura 1.15: 0,15%C, Ferrita + perlita. 100x.
 Figura 1.16: 0,40%C Ferrita + perlita. 100x.
 Figura 1.17: Perlita. a) 100x e b) 2500x.
No microscópio eletrônico:
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
Nomenclatura para aços, normas ABNT e SAE 
(existem várias outras normas tais como ASTM, DIM, AFNOR, JIS, API, etc)
Aços ao carbono:
Os dois últimos números indicam aproximadamente o teor de carbono:
Exemplos :
SAE 1020  de 0,18 à 0,23 %C.
Obs. Os aços de corte-fácil (ao chumbo de 0,15 a 0,35%) são designados através da letra L no meio da palavra. Exemplo: SAE 10L20
Similarmente os aços de temperabilidade melhorada (ao boro de 0,0005 a 0,003%) são designados através da letra B no meio da palavra. 
Exemplo: SAE 51B60
Aços-ligados :
Os dois primeiros algarismos indicam quais os elementos químicos utilizados, e os dois últimos o teor aproximado do carbono. Veja tabela a seguir.
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
4. Estrutura cristalina dos metais - aços
Ligados-para beneficiamento
Norma SAE:
J404
J403
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Dependência da temperatura e composição do eutetóide da concentração dos elementos de liga 
De
 Estruturas cristalinas dos metais 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Elementos de liga nos aços 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Exercício 
1.	Conhecendo a quantidade relativa (porcentagem em peso) de cada micro constituinte (fases) de um determinado aço, é possível fazer uma estimativa do valor de dureza Brinell. Calcule a dureza de um aço ABNT 1018 e de um aço ABNT 1095, resfriados conforme dados abaixo: 
 a) 	Aço 1018 a)-resfriamento lento (formação de estrutura grosseira) e b)-resfriamento moderado (formação de perlita fina);
b) 	Aço 1095 a)-resfriamento lento (formação de estrutura grosseira) e b)-resfriamento moderado (formação de perlita fina).
2- a) Faça um gráfico da percentagem em peso das fases como uma função da temperatura de 1000 à 0ºC para o aço eutetóide (%C = 0,77).
b) Calcule a quantidade de ferrita proeutetóide nos contornos de grão em 1Kg de um aço estrutural ABNT 1020.
c) Desenhe um diagrama Fe-C-Cr com porcentagem em torno de 19% de cromo?
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
.
1. Temperatura 728°C
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Temperatura 727°C
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
 Figura 1.9: Equações das linhas principais.
T = -273 - 4850/ln(%C/2,55) 
 + 570,4(%C) + 341
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Temperatura 726°C
T = -273 - 4850/ln(%C/2,55) 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Cálculo da Dureza Brinell 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Cálculo da Dureza Brinell 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
.
Temperatura 728°C
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Microestrutura de Aço Fundido Recozido 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Microestrutura de Aço Fundido Recozido 
Microestrutura do aço fundido após recozimento Ataque : Nital Aumento : 200X 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Microdureza Vickers da ferrita ( média 129 e desvio padrão 10 HV ) e perlita na estrutura do aço fundido após recozimento ( média 227 e desvio padrão 19 HV ) . 
 Ataque : Nital Aumento : 200X 
Microdureza Vickers das Fases 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Temperatura 726°C
T = -273 - 4850/ln(%C/2,55) 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
 Temperatura 728°C
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Temperatura 726 C
T = -273 - 4850/ln(%C/2,55) 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Cálculo da Dureza Brinell 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
 Figura 1.11: Diagrama de fases ferro-cementita – detalhe aço hipereutetóide.
Cementita intergranular
Perlita
Temperatura oC
C (% em peso)
Estrutura: cementita + perlita, com
% Fe3C total = 
Regra da alavanca:
No microscópio óptico:
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
2- a) Faça um gráfico da percentagem em peso das fases como uma função da temperatura de 1000 à 0ºC para o aço eutetóide (%C = 0,77).
b) Calcule a quantidade de ferrita proeutetóide nos contornos de grão em 1Kg de um aço estrutural ABNT 1020.
c) Desenhe um diagrama Fe-C-Cr com porcentagem em torno de 19% de cromo?
 Exercício 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Temperatura oC
C (% em peso)
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
 Figura 1.8: Diagrama de fases ferro-cementita – detalhe aço hipoeutetóide.
Regra da alavanca (veja pag. 14):
Estrutura: ferrita + perlita
% ferrita = 
% perlita = 100 - %ferrita
Ferrita
Perlita
No microscópio óptico:
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais – ferro puro
Figura 1.6: Difusividade de carbono e nitrogênio em aço.
Outro efeito que ocorre, devido a esta diminuição de volume, é a redução de velocidade dos átomos (difusão) na passagem de ferrita para austenita.
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Perlita = ferrita+Fe3C
Obs: toda cementita dentro da perlita.
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
 Figura 1.10: Diagrama de fases ferro-cementita – detalhe aço eutetóide.
Regra da alavanca:
Estrutura: 100% perlita, com
% Fe3C = 
% α (dentro da perlita) = 100-11,2 
ou, % α =88,8%
Temperatura oC
C (% em peso)
No microscópio eletrônico:
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
Na seção perpendicular, ao microscópio eletrônico, figura abaixo, fica clara a maior espessura da ferrita com relação a cementita (relação 7:1). Cada conjunto de lamelas paralelas é chamada de colônia de perlita. Um conjunto de colônias é um nódulo. A separação entre as lamelas é chamada de espaçamento interlamelar So e só é observada verdadeiramente, quando a seção metalográfica é feita perpendicularmente ao plano das lamelas.
 Figura 1.12: A relação de espessuras entre as lamelas de ferrita e cementita.
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
Para transformação em temperatura constante e supondo espaçamento constante em todas as colônias, Pellissier desenvolveu (1942) uma equação para a fração acumulada como função do espaçamento interlamelar aparente, S: 
 f= raiz [1-(So/S)2]
Figura 1.13: Espaçamento interlamelar aparente.
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Nome das linhas: aqui está incluído o efeito da taxa de aquecimento ou de resfriamento, que modifica a posição das linhas de equilíbrio para mais ou para menos.
4. Estrutura cristalina dos metais - aços
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Nome das fases:
Ferrita alfa (fase alfa CCC)
Ferrita delta (fasedelta CCC)
Austenita (fase gama CFC)
Cementita (composto Fe3C)
Perlita (alfa+Fe3C eutetóide)
1. Estrutura cristalina dos metais - aços
 Figura 1.14: O nome das fases no diagrama. Note as linhas A1, A3 e Acm.
Observações: 
ABNT = Associação Brasileira de Normas Técnicas
SAE = Society for Automotive Engineering
Fe3C (Cementita)
A1
Acm
A3
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
O crescimento das colônias de perlita ocorre não somente pela nucleação das lamelas adicionais , mas pelo avanço frontal das lamelas ;
O espaçamento interlamelar da perlita formada a uma dada temperatura é constante , variando pouco em relação a um valor médio. A temperatura de transformação da austenita afeta bastante o espaçamento interlamelar da perlita. Quanto menor for a temperatura de reação , menor será .
A velocidade de crescimento também depende da temperatura ;
 A ; C = = 
= 
A velocidade de nucleação N é o número de núcleos que se formam em uma unidade de volume por unidade de tempo.
 N 
Transformação Perlítica 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
Termo dinâmica da Transformação Perlítica 
Termo dinâmica da Transformação Perlítica
 ; No equilíbrio = 
 ; = 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
FIM 
‹nº›
Conformação dos Metais
Metalurgia Mecânica – Francisco Boratto
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ABNT ou SAE
Tipo de aço
Principal
10xx
Carbono (faixa Belgo de 0,03 a 0,92 %)
C 
11xx
Carbono - ressulfurado
S
12xx
Carbono - ressulfurado - refosforado
S-P
15xx
Carbono-Manganês (0,85-1,65%)
Mn
13xx
Carbono-Manganês (1,6-1,9%)
Mn
23xx
Níquel (3,5%)
Ni
25xx
Níquel (5%) 
Ni
31xx
Níquel (1,25%) - cromo (0,65 - 0,80%)
Ni-Cr 
33xx
Níquel (3,5%) - cromo (1,55%)
Ni-Cr
40xx
Molibdênio (0,25%)
Mo
41xx
Cromo (0,95%) - molibdênio (0,20%)
Mo
43xx
Níquel (1,8%) - cromo (0,50-0,80%) - molibdênio (0,25%)
Mo
46xx
Níquel (1,8%) - molibdênio (0,25%)
Mo
48xx
Níquel (3,5%) - molibdênio (0,25%)
Mo
50xx
Cromo (0,30-0,60%)
Cr
51xx
Cromo (0,70-1,05%) - manganês (0,70-0,90%)
Cr
50xxx
Cromo (0,5%) - alto carbono (1%)
Cr
51xxx
Cromo (1,0%) - alto carbono (1%)
Cr
52xxx
Cromo (1,45%) - alto carbono (1%)
Cr
61xx
Cromo (0,8-0,95%) - vanádio (0,10-0,15%)
Cr-V
86xx
Níquel (0,55%) - cromo (0,50%) - molibdênio (0,20%)
Ni-Cr-Mo
87xx
Níquel (0,55%) - cromo (0,50%) - molibdênio (0,25%)
Ni-Cr-Mo
92xx
Silício (1,2-2,2%) - manganês (0,55%) ou cromo (0,55%)
Si
93xx
Níquel (3,25%) - cromo (1,20%) - molibdênio (0,12%)
Ni-Cr-Mo
94xx
Manganês (1%)-níquel (0,45%)-cromo (0,40%)-molibdênio(0,12%)
Mn-Ni-Cr-Mo
97xx
Níquel (1,8%) - cromo (0,50-0,80%) - molibdênio (0,25%)
Ni-Cr-Mo
98xx
Níquel (1,0%) - cromo (0,80%) - molibdênio (0,25%)
Ni-Cr-Mo
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Microsoft_Word_Document.docx
		Fases
		Dureza ( Brinell)
		Ferrita
		 80
		Perlita Grosseira
		240
		Perlita Fina
		380
		Cementita
		650
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Fases Dureza ( Brinell) 
Ferrita 80 
Perlita Grosseira 240 
Perlita Fina 380 
Cementita 650 
 
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
10
60
110
160
210
260
310
S aparente (nm)
fração acumulada (%) 
So=200
So=100
So=150
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