Cap 4 - Diagrama Fe-C

Prévia do material em texto

C
Ê
 
 
 
 
 
CAP
 
 
 
 
 
MATE
PROF
 
 
UNIVERSIDA
Estra
Tel.: (0
Seg
 
UERJ 
AMPUS REGIONAL DE RESENDE 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
NFASE EM PRODUÇ ÃO MECÂNICA 
ÍTULO 4: DIAGRAMA FE-C 
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA 
RIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
. ALEXANDRE ALVARENGA PALMEIRA 
DE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO 
da Resende Riachuelo s/n. - Morada da Colina 
Resende — RJ - CEP: 27.523-000 
24) 354-0194 ou 354-7851 e Fax: (024) 354-7875 
E-mail: palmeira@uerj.br 
unda-feira, 24 de Novembro de 2003
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
SUMÁRIO 
 
 
I- INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1 
II- DEFINIÇÕES DE MATERIAIS .....................................................................................2 
III- DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO....................................................................................4 
III.1 CONCEITOS BÁSICOS .............................................................................................4 
III.2 CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO................................................................................. 6 
III.2.1 Lei ou Regra das Fases de Gibbs............................................................... 6 
III.2.2 Energia Livre ...................................................................................................... 6 
III.3 CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ....................................... 6 
III.4 TIPOS DE DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO ........................................................... 7 
III.4.1 Diagrama Unário ............................................................................................... 7 
III.4.2 Diagramas Binários ........................................................................................ 8 
III.5 SISTEMAS DE EQUILÍBRIO....................................................................................11 
III.5.1 Sistemas Isomorfos ........................................................................................11 
III.5.2 Sistemas Eutéticos ...................................................................................... 13 
III.5.3 Sistemas Eutectoide .................................................................................... 14 
III.5.4 Diagrama de Equilíbrio Fe-C ........................................................................16 
III.6 Influência da Temperatura ..................................................................................20 
III.7 Influência dos Elementos de Ligas ...................................................................20 
III.7.1 Influência do Carborno................................................................................... 21 
III.7.2 Influência do Silício ........................................................................................ 22 
 
 i 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
 
Figura 4- 1: Diagrama unário esquemático. ................................................................ 8 
Figura 4- 2: Diagrama binário esquemático. ...............................................................9 
Figura 4- 3: (a) Solução sólida substitucional. (b) Solução sólida interticial.
......................................................................................................................................... 10 
Figura 4- 4: Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza 
(99,26%) laminado a frio e recozido a 800oC. ................................................ 10 
Figura 4- 5: (a) Diagrama Isomorfo. (b) Resfriamento de uma liga de 
composição Co (35% Ni).......................................................................................... 12 
Figura 4- 6: Microestrutura esquemática resultante do resfriamento de 
uma liga contendo 35% Ni. ..................................................................................... 13 
Figura 4- 7: Diagrama Pb-Sn.......................................................................................... 14 
Figura 4- 8: Região eutectoide do diagrama de equilíbrio Fe-C.......................... 15 
Figura 4- 9: (a) Sistema eutectóide completo. (b) Sistema eutectóide 
dividido em dois diagramas simples, um isomorfo e um eutético.............. 15 
Figura 4- 10: Diagrama de equilíbiro Fe-C. .................................................................16 
Figura 4- 11: Diagrama de equilíbiro Fe-C. ................................................................... 18 
Figura 4- 12: Representação esquemática da solidificação e esfriamento 
lento dos aços dos ferros fundidos brancos com seus respectivos 
microconstituintes.................................................................................................... 19 
Figura 4- 13: Propriedades mecânicas dos aços em função do teor de 
carbono. ....................................................................................................................... 22 
 
 ii 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
I- INTRODUÇ ÃO 
 
 O perfeito conhecimento dos diagramas de equilíbrio das ligas metálicas é de vital 
importância, pois proporciona o conhecimentos de várias transformações, a escolha das 
ligas, noções sobre as propriedades e, principalmente, o bom êxito dos tratamentos 
térmicos. 
 O diagrama de equilíbrio fornece informações de qualquer liga, tais como início e 
fim de solidificação ou fusão, fases em equilíbrio a determinadas temperaturas, 
composição química destas fases, variação das quantidades relativas das fases com a 
temperatura, constituintes, etc. É, portanto, um resumo dos históricos térmicos de todas as 
ligas dos mesmos componentes. 
 
 
 1 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
II- DEFINIÇ Õ ES DE MATERIAIS 
 
 Porém, antes de iniciar-mos, o estudo do diagrama de equilíbrio da liga Fe-C, faz-se 
necessário o conhecimento de algumas definições que nos servirão de base para todo 
estudo que virá a seguir. Sendo assim, as seguintes definições são de vital importância 
para que tenhamos a mesma base de conhecimento técnico. 
− Aço: Aços são ligas a base de ferro deformáveis no estado sólido (F. Oeters, Metallurgy 
of Steelmaking, VDEh, 1989). De forma geral, ligas com menos de 2,1% (em peso) 
de carbono. 
− Aço-carbono → liga ferro-carbono contendo até 2,11% de carbono, além de certos 
elementos residuais, resultantes processos de fabricação (Mn, Si, P e S); 
− Aço-liga → aço-carbono que contém outros elementos de liga ou apresenta os 
elementos residuais em teores acima dos que são considerados normais. 
 
 Dentre as ligas de ferro-carbono, os ferros fundidos constituem um grupo de 
importância fundamental para a industria, não só devido às características inerentes ao 
próprio material, como também pelo fato de, mediante a introdução de elementos de liga, a 
aplicação de tratamentos térmicos adequados e pelo desenvolvimento do ferro fundido 
nodular, que possui propriedades que se compara a de um aço carbono. Segundo 
Chiaverini, pelo conhecimento do diagrama de equilíbrio Fe-C, costuma-se definir, como: 
 
− Ferros Fundidos: é a liga ferro-carbono-silício, de teores de carbono acima de 
2,11 %, em quantidade superior à que é retida em solução sólida 
na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na 
forma de veios ou lamelas de grafita. 
 
 Dentro da denominação geral de “ferro fundido”, podem ser distinguidos os 
seguintes tipos de liga: 
 
 2 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
− Ferro Fundido Cinzento: liga ferro-carbono-silício, com teor de carbono acima de 
2,0% e silício presente em teores de 1,20% a 3,00%; a 
quantidade de carbono é de tal ordem que, juntamente o 
teor de silício, promove a formação parcial de carbono 
livre, na forma de lamelas ou veios de grafita; 
− Ferro Fundido Branco: liga ferro-carbono-silício, com teor de silício menor que o 
cinzento e que, devido ao silício em menor quantidade e às 
condições de fabricação, apresenta o carbono quase que 
inteiramente combinado, resultando numa fratura de 
coloração clara; 
− Ferro Fundido Mesclado: liga ferro-carbono-silício, caracterizada por composição e 
condições de fabricação de tal ordem que resulta uma 
fratura de coloração mista entre branca e cinzenta; 
− Ferro Fundido Maleável: liga ferro-carbono-silício caracterizada por apresentar 
grafita na forma de “nódulos” (em vez de “veios”), 
devido a um tratamento térmico especial 
(“maleabilização”) a que se submete um ferro fundido 
branco; 
− Ferro Fundido Nodular: liga ferro-carbono-silício caracterizada por a apresentar 
grafita na forma esferoidal, resultante de um tratamento 
realizado ao material ainda no estado líquido 
(“nodulização”). 
 
 3 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
III- DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO 
 
III.1 CONCEITOS BÁSICOS 
 
 De forma a compreender-mos perfeitamente os diagramas de equilíbrio, faz-se 
necessário que alguns conceitos da química básica, sejam aplicados. Conceitos estes que 
passamos a descrever: 
 
− Solução: é a mistura física e quimicamente homogênea de dois ou mais corpos, sendo 
“solvente” o corpo que se encontra em excesso e “soluto” outro. 
− Sistemas: conjunto que se estuda isoladamente. 
¾ Sistema Homogêneo → um sistema é homogêneo, quando é constituído por 
uma massa onde todos os seus pontos são 
quimicamente homogêneos, isto é, tendo as mesmas 
propriedades em todos os pontos. Ex.: um bloco de 
gelo, uma porção d'água, uma solução de açúcar, etc.; 
¾ Sistema Heterogêneo → é o sistema formado por um certo número de sistemas 
homogêneos distintos, ou é um único corpo que não 
tenha as mesmas propriedades em todos os pontos. 
Ex.: uma mistura de água e gelo; uma solução de 
cloreto de sódio contendo este sal em excesso, etc.. 
− Fase: toda matéria quimicamente homogênea e fisicamente no mesmo estado, e 
perfeitamente distinguível. Ex.: gelo + água + vapor = 3 fases; solução de 
cloreto de sódio = 1 fase; quando a solução contiver sal em excesso = 2 fases. 
− Componentes: substâncias que definem as fases. 
− Variáveis: condições que se impõem ao sistema. 
− Variância ou Grau de Liberdade: número de variáveis que pode ser alterado sem 
variar o número de fases. 
 4 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 5 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
III.2 CONDIÇ Õ ES DE EQUILÍBRIO 
 
III.2.1 Lei ou Regra das Fases de Gibbs 
 
 Gibbs deduziu uma relação entre o número de fases (F) que podem coexistir em 
equilíbrio em um dado sistema, o número mínimo de componentes (C) que podem ser 
usados para formar o sistema, o número de variáveis externar (E) – temperatura e pressão – 
e os graus de liberdade (V), ou seja, o número de variáveis – temperatura, pressão e 
composição – que podem ser alteradas independentemente e arbitrariamente, sem variar o 
número de fases presentes. Esta relação pode apresentada sob a forma da equação: 
EFCV +−= (4. 1) 
 
Onde: V → variância; 
C → número de componentes; 
F → número de fases; 
E → número de variáveis externas. 
 
 Tal relação é conhecida como a lei ou a regra das fases de Gibbs. 
 
 
III.2.2 Energia Livre 
 
 Quanto menor for a energia livre de um sistema, maior é a sua estabilidade. Então, 
a condição de equilíbrio é a de mínima energia livre. A satisfação dessa condição é que 
determina as fases que podem existir a uma dada temperatura e a uma dada composição. 
 Para uma dada composição podem ocorrer reações causadas por variação de 
temperatura de maneira a existirem sempre as fases mais estáveis. A energia de ativação 
dessas reações é obtida da diminuição de energia livre do material cedida ao passar ao 
estado mais estável. 
 
 
III.3 CONSTRUÇ ÃO DOS DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO 
 
 A construção dos diagramas consiste, simplesmente, em determinar pontos críticos 
das varias ligas dos mesmos componentes, localizá-los num único gráfico, e uni-los 
adequadamente por linhas. O gráfico resultante sintetiza o comportamento térmico no 
resfriamento ou aquecimento lento de qualquer liga e é conhecido como diagrama de 
 6 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
equilíbrio físico-químico, térmico, constitucional ou de fases. É comumente referido 
simplesmente como diagrama de equilíbrio. 
 São utilizadas as seguintes técnicas na elaboração dos diagramas de equilíbrio: 
− Análise Térmica: analisa o efeito calorífico das transformações, é a mais utilizada; 
− Dilatometria; 
− Resistência Elétrica; 
− Metalografia. 
 
 
III.4 TIPOS DE DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO 
 
 Os diagramas de equilíbrio se classificam em unários (de um componente) 
binários e de ordem superior (ternários, quaternários, etc.). Dentre os vários tipos, os 
diagramas binários são os mais usados e, freqüentemente, são subdivididos em várias 
classes, de acordo com a transformação invariante de fase que contenham. 
 
 
III.4.1 Diagrama Unário 
 
 O estudo dos sistemas de um só componente está subordinado às variáveis 
temperatura e pressão, uma vez que a concentração, evidentemente, é invariável. 
 A forma geral do diagrama unário está esquematizada na Figura 4- 1, a seguir. O 
equilíbrio de uma única fase é representado por uma área ou domínio de fase. Nestes 
domínios, o sistema é bivariante, ou seja, V = 2. Isto significa que a pressão e a 
temperatura podem ser alteradas, independentemente e arbitrariamente, contanto que não 
modifiquem o número de fases do sistema. 
 O equilíbrio entre as duas fases é representado por linhas ou curvas. Isto pode ser 
facilmente deduzido da regra das fases. O sistema é aí univariante, ou seja, V = 1. Note-se 
ainda que as três fases só podem coexistir em equilíbrio para temperatura e pressão 
determinadas, definindo um ponto no diagrama, denominado ponto tríplice. Neste ponto o 
sistema é invariante já que V = 0. 
 
 7 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 
Figura 4- 1: Diagrama unário esquemático. 
 
 
III.4.2 Diagramas Binários 
 
 Um diagrama de fase completo de um sistema binário, representando o efeito da 
variação dos três fatores externamente controláveis – pressão, temperatura e composição – 
requer o uso de um modelo tridimensional. 
 Como normalmente as operações metalúrgicas são realizadas a pressão atmosférica, 
utiliza-se, por conveniência, um diagrama bidimensional temperatura & composição, 
denominado condensado. Esse diagrama é simplesmente uma seção do diagrama 
tridimensional, tomando a pressão constante de uma atmosfera. Neste caso, o número de 
variáveis fica reduzido a dois, e a lei de Gibbs tem a forma: 
1FCV +−= (4. 2) 
 
 Pois, um grau de liberdade foi usado para especificar a pressão. Sob estas 
circunstâncias, a coexistência de três fases em um diagrama binário produz uma condição 
invariante (V = 0), enquanto a coexistência de duas fases produz uma condição bivariante 
(V = 2).(Erro! Indicador não definido.) 
 8ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 A representação do diagrama binário condensado é feita normalmente tomando-se a 
ordenada como temperatura e a abscissa como concentração dos dois componentes A e B, 
onde B varia de 0% a 100% e A varia, de 100% a 0% no sentido da esquerda para a 
direita. Conforme pode ser observado na Figura 4- 2, a seguir. 
 
Figura 4- 2: Diagrama binário esquemático. 
 
 Os materiais formados por dois componentes podem ser constituídos: de uma 
solução sólida com um componente completamente miscível no outro; e de uma mistura 
dos componentes, com ausência ou parcialidade de solubilidade, mas sem reações 
químicas envolvidas; e ainda pela presença de novos compostos. Logo, podemos ter as 
configurações de arranjos entre os materiais: 
– soluções sólidas Substitucionais: os átomos de impureza estão localizados em 
posições normalmente ocupadas pelos átomos do 
cristal matriz. Eles “substituem” os átomos do 
cristal matriz, são chamados impurezas 
substitucionais, conforme representado na Figura 
4- 3(a). 
– soluções sólidas Intersticiais: os átomos de impureza estão localizados nos interstícios 
da estrutura cristalina matriz. São chamados impurezas 
intersticiais. Estas impurezas normalmente tem um 
pequeno tamanho quando comparadas aos átomos da 
matriz, conforme representado na Figura 4- 3(b). 
– Precipitados: É o caso dos óxidos e de outras partículas como sulfetos e fosfetos, por 
exemplo. Elas são decorrentes de reações de oxi-redução entre o 
oxigênio do ar com os metais componentes da mistura, ou advém de 
reações entre componentes da matéria-prima utilizada (por exemplo, o 
 9 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
enxofre que está presente no coque que por sua vez é utilizado na 
fabricação do aço) com os componentes da mistura. Conforme 
apresentado na Figura 4- 4. 
 
Figura 4- 3: (a) Solução sólida substitucional. (b) Solução sólida interticial. 
 
 
Figura 4- 4: Inclusões de óxido de cobre (Cu2O) em cobre de alta pureza (99,26%) 
laminado a frio e recozido a 800oC. 
 
 Estas diferenças de comportamento devem-se a: 
i. diferença de tamanho superior a 15% entre os átomos dos dois componentes; 
ii. diferença de estrutura cristalina; 
iii. diferença apreciável de eletronegatividade; 
iv. diferentes valências. 
 Logo podemos classificar os diagramas binários como: 
i. aqueles que apresentam solubilidade total em todas as proporções nos estados líquido e 
sólido (sistemas isomorfos); 
ii. aqueles que apresentam solubilidade total em todas as proporções no estado líquido, 
mas cuja solubilidade é nula ou restrita no estado sólido (sistemas eutéticos, eutetóides, 
peritéticos e peritetóides); 
 10 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
iii. aqueles que apresentam solubilidade limitada nos estados líquido e sólido (sistemas 
monotéticos e sintéticos). 
III.5 SISTEMAS DE EQUILÍBRIO 
 
 De forma a compreendermos melhor o diagrama Fe-C, levaremos em conta, de 
forma mais aprofundada, apenas os seguintes sistemas: isomorfo, eutético e eutectóide. 
 
 
III.5.1 Sistemas Isomorfos(Erro! Indicador não definido.) 
 
 São sistemas em que os componentes formam soluções sólidas em todas as 
proporções, ou seja, formam ligas monofásicas. Ex.: Cu-Ni, Au-Ag, Au-Pt. Cuja reação 
característica é da pela equação (4. 3), a seguir: 
SL → (4. 3) 
 
 A Figura 4- 5(a), a seguir, apresenta um diagrama isomorfo simples onde os pontos 
TCu e TNi representam as temperaturas de fusão dos componentes Cu e Ni 
respectivamente. O diagrama é formado por uma região de uma única fase líquida, uma 
região de uma única fase sólida, representada por α , e uma região de duas fases (líquido 
L + sólido α ). As curvas que separam as regiões de uma fase da região de duas fases são 
as linhas líquidus e sólidus. Estas indicam que há uma diferença fundamental de 
comportamento na solidificação de um metal puro e de uma solução sólida. Enquanto que 
o primeiro se solidifica a uma única e definida temperatura, a liga da solução sólida inicia a 
solidificação em uma temperatura entre os pontos de fusão de seus componentes e não o 
faz isotermicamente, ou seja, solidifica-se dentro de um intervalo de temperaturas (faixa 2-
3 da Figura 4- 5(b)), para uma composição C0 da liga. 
 11 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 
(a) 
 
(b) 
Figura 4- 5: (a) Diagrama Isomorfo. (b) Resfriamento de uma liga de 
composição Co (35% Ni). 
 
ANÁLISE TÉRMICA 
 Considere-se a solidificação da liga de composição C0 (Figura 4- 5(b)). No ponto 1 
ela apresenta-se completamente na fase líquida, com composição química idêntica à da 
liga. No ponto 2 inicia-se a solidificação da solução sólida de composição 2b, que é a 
composição desta fase para que a mesma esteja em equilíbrio com o líquido na temperatura 
correspondente T2. A medida que o resfriamento prossegue, continua a solidificar-se a, 
cuja composição média segue a linha sólidus e a composição média do líquido 
remanescente segue a linha liquidus. 
 12 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 Em B tem-se sólido α de composição Cα em equilíbrio com líquido de composição 
CL. Continuando o resfriamento até o ponto 3, tem-se que a última porção de líquido 
presente terá a composição 3a e a composição global do sólido a coincidirá com a da liga. 
 Em qualquer temperatura inferior ao ponto 3 (ponto 4, p. ex.), o material estará 
completamente solidificado na forma a, de composição C0. A Figura 4- 6, a seguir, 
apresenta, de forma esquemática, a microestrutura resultante do resfriamento de uma liga 
contendo 65% Cu + 35% Ni. 
 
 
Figura 4- 6: Microestrutura esquemática resultante do resfriamento de uma 
liga contendo 35% Ni. 
 
 
III.5.2 Sistemas Eutéticos 
 
 Ocorrem em sistemas que apresentam solubilidade parcial entre os componentes ao 
formarem soluções sólidas. Ex.: Cd-Zn, Sn-Pb, Sn-Bi.. Cuja reação característica é da 
pela equação (4. 3), a seguir: 
βα +↔L (4. 4) 
 
 13 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 
 
Figura 4- 7: Diagrama Pb-Sn. 
 
♦ Características das ligas eutéticas 
− Possui ponto de fusão definido; 
− O ponto de fusão da liga é inferior ao ponto de fusão dos elementos que a constitui; 
− Possui composição química definida; 
− Possui micro estrutura característica (lamelar). 
 
 
III.5.3 Sistemas Eutectoide 
 
 São caracterizados pela reação eutetóide, isto é, a decomposição isotérmica de uma 
fase sólida em duas outras fases sólidas durante o resfriamento e a reação inversa no 
aquecimento. Ou seja, esta transformação ocorre toda no estado sólido em sistemas que 
apresentam solubilidade total em temperaturas elevadas, mas quando a temperatura 
decresce a solubilidade é parcial entre os componentes ao formarem soluções sólidas, 
conforme pode ser observado na Figura 4- 8, a seguir 
. Ex.: Fe-C, Cu-Zn, Cu-Sn. Cuja reação característica é da pela equação (4. 3), a seguir: 
βαγ +↔ (4. 5) 
 
 14 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 
Figura 4- 8: Região eutectoide do diagrama de equilíbrio Fe-C. 
 
 Um diagrama esquemático para um sistema eutetóide está representado na Figura 
4- 9, a seguir. Pode-se interpretá-lo simplesmente como a combinação de dois diagramas 
simples, um isomorfo e outro eutético. Todas as considerações feitas sobre sistemas 
eutéticossão extensivas aos sistemas eutetóides. 
 
 
Figura 4- 9: (a) Sistema eutectóide completo. (b) Sistema eutectóide dividido 
em dois diagramas simples, um isomorfo e um eutético. 
 
 
 
 15 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
III.5.4 Diagrama de Equilíbrio Fe-C 
 
9 Diagrama válido para Fe-C sem elemento de liga, resfriado ou aquecido lentamente. 
9 Equilíbrio metaestável → modificações no tempo → decomposição do Fe3C (Fe + C) 
 
 
Figura 4- 10: Diagrama de equilíbiro Fe-C. 
 
i) Formas Alotrópicas do Fe puro 
- Feδ, estrutura Cúbico de Corpo Centrado, paramagnético, 1.400°C ≤ T ≤ 1.539°C; 
- Austenita - Feγ, estrutura Cúbico de Face Centrada, não-magnético, 
910°C ≤ T≤ 1.400°C; 
- Ferrita - Feα, estrutura CCC: paramagnético (Feβ), 768°C ≤ T ≤ 910°C, 
ferromagnético, T ≤ 768°C (Ferro puro). 
 
 
ii) Reações 
- Peritética: (T = 1.492ºC); {
)deC%18,0(Austenita
18,01,05,0L γδ ↔+
 16 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
- Eutética: (T = 1.130ºC); eutético (ponto C ) 4,30% C. 444 3444 21
)deC%3,4(Ledeburita
)deC%67,6(30,23,4 CFeL +↔ γ
- Eutectóica: γ (T = 723ºC); eutectóide (ponto S) 0,77%C. 444 3444 21
)deC%8,0(Perlita
)deC%67,6(3025,08,0 CFe+↔ α
- Aço eutectóide → com teor de carbono correspondente ao ponto eutetóide ou seja, 
0,77%; 
- Aço hipo-eutectóide → com teor de carbono entre 0 e 0,77%; 
- Aço hiper-eutectóide → com teor de carbono entre 0,77% e 2,11%; 
- Ferro fundido eutético → com teor de carbono correspondente ao ponto eutético ou 
seja 4,30%; 
- Ferro fundido hipo-eutético → com teor da carbono entre 2,11% e 4,30%; 
- Ferro fundido hiper-eutético → com teor de carbono acima de 4,30%. 
 
 
iii) Pontos Críticos 
− Ponto A → ponto de fusão do ferro puro – 1.538°C; 
− Ponto D → ponto de fusão do Fe3C – impreciso; 
− Ponto C → ponto da reação eutética; 
− Ponto S → ponto da reação eutectóide. 
 
iv) Linhas Críticas 
− Linha Solidus; 
− Linha Liquidus; 
− Linha Acm* → linhas de mudança de fase → solubilidade da Fe3C na austenita; 
− Linha A3 → linhas de mudança de fase → solubilidade da ferrita na austenita; 
− Linha A1 → linhas de mudança de fase → austenita em ferrita+perlita; 
 
 As linhas que marcam o início e o fim das transformações chamam-se linhas de 
transformação e elas limitam zonas chamadas Zonas Críticas. 
 
 
* As iniciais A são do francês "arrêt"; a terminologia original é francesa, pois foi Le Châtelier um dos 
pioneiros estudiosos da matéria. 
 17 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 
Figura 4- 11: Diagrama de equilíbiro Fe-C. 
 
 
v) Fases 
- Ferrita - δ: Solução Sólida Intersticial de C no Feδ (estrutura CCC), solubilidade 
máxima de C de 0,1% a 1.492ºC; 
- Autenita - γ: Solução Sólida Intersticial de C no Feγ (estrutura CFC); 
- Ferrita - α: Solução Sólida Intersticial de C no Feα (estrutura CCC); 
- Cementita - Fe3C: Composto intermetálico de Fe e C (carboneto de ferro) com 6,67% 
de C, com estrutura ortorrômbica. 
 
 
vi) Constituinte 
 Cada uma das fases isoladas ou agregadas que compõem a estrutura de uma liga 
metálica. 
- Ferrita; 
- Autenita; 
- Cementita; 
 18 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
- Perlita: constituinte de forma lamelar, formado por lâminas muito delgadas e muito 
próximas umas das outras, de ferro alfa e Fe3C, dispostas 
alternadamente. Suas propriedades são intermediárias entre as do ferro puro 
(pouco resistente, mole e muito dúctil) e a cementita (muito resistente, muito 
dura e muito frágil). 
- Ledeburita: agregado mecânico de austenita+cementita(T > 723ºC) e a austenita 
transforma-se em perlita para T < 723ºC. 
 
Figura 4- 12: Representação esquemática da solidificação e esfriamento lento dos aços 
dos ferros fundidos brancos com seus respectivos microconstituintes. 
OBS.: Essas estruturas, ledeburita, correspondem aos ferros fundidos brancos, em que não 
existe qualquer carbono na forma livre de grafita. Tais ferros fundidos são de 
relativamente pouco uso comercial, devido á sua grande dureza e fragilidade e 
baixa usinabilidade. 
 
 
 19 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
III.6 Influência da Temperatura 
 
 A posição das linhas A3, A2 e Acm (Figura 4-6 e Figura 4-7) corresponde a 
resfriamento lento. Para aquecimento lento, as mesmas reações que levam às modificações 
estruturais ocorrem em sentido inverso. Entretanto, a posição das linhas é diferente, 
ficando as mesmas ligeiramente deslocadas para cima. 
 Outro fator que apresenta elevada influência sobre as reações que levam às 
modificações estruturais é a velocidade de aquecimento e resfriamento. Este fator será 
estudado mais profundamente no próximo capítulo. 
 
 
III.7 Influência dos Elementos de Ligas 
 
 As propriedades das ligas ferro-carbono são influenciadas pelas suas 
estruturas. Estas dependem das reações que ocorrem no diagrama de equilíbrio, onde os 
elementos de liga atuam diretamente nas linhas de transformação, na faixa austenítica e na 
temperatura e composição do eutetóide, no caso dos aços, e na capacidade grafitizante ou 
estabilizadora da cementita. 
 
 A presença de elementos de liga provenientes do processo de fabricação (Mn e Si) e 
os que são propositadamente adicionados para alterar as propriedades dos aços (Ni, Cr, 
Mo, W, Ti etc.) atuam diferentemente nas duas formas alotrópicas que caracterizam o ferro 
e, por essa razão, na posição das linhas de transformação, ou seja, na zona crítica e na zona 
austenítica. Os efeitos em particular de alguns elementos sobre o campo austenítico são os 
seguintes: 
− Mn, Ni e Co alargam a faixa de temperaturas para austenita estável; 
− Si, Cr, Mo, Ti, entre outros, estreitam a faixa de temperaturas de austenita estável. 
− Os elementos de liga influem igualmente sobre a temperatura e a composição do 
eutetóide, o que, evidentemente, significa deslocar as linhas de transformação. 
− A maioria dos elementos de liga - Ti, W, Mo, Si, Ni, Mn, Cr, uns mais do que os outros 
tende a deslocar o eutetóide para a esquerda, ou seja, diminui o seu teor de carbono. 
 20 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
− Quanto à temperatura do eutetóide, com exceção do Mn e do Ni, que diminuem essa 
temperatura, os outros elementos mais comuns (Cr, W, Si, Mo e Ti) tendem a aumentá-
la. 
− Na faixa de composições correspondentes aos ferros fundidos, o efeito mais importante 
é o do silício. A tendência grafitizante desse elemento altera totalmente as propriedades 
desses materiais. 
− Outros elementos podem atuar em sentido contrário, em particular o manganês, que é 
um dos mais importantes estabilizadores da cementita, ou seja, dificulta ou impede a 
sua decomposição. 
 
 
III.7.1 Influência do Carborno 
 
 Como se pode observar (Figura 4-6), o carbono cria uma faixa de temperaturas 
onde as duas formas alotrópicas alfa e gama podem existir. Da mesma maneira, atuam 
certos elementos de liga. Além deste fato o aumento do teor de carbono leva a mudanças 
nas propriedades dos aços, conforme é mostrado na Figura 4-9, essas mudanças são 
provenientes de mudanças na microestrutura dos aços. 
 
 O carbono livre nos ferros fundidos desempenha um papel importante, porque os 
conceitos de variação de propriedades mecânicas em função do teor de carbono, que se 
aplicamnos aços, não podem ser aplicados com o mesmo sentido nos ferros 
fundidos. Pois, à medida que o teor de carbono aumenta, os ferros fundidos tomam-se 
mais moles, menos resistentes e mais usináveis. Entretanto, sua ductilidade, qualquer que 
seja o teor de carbono, é praticamente nula, devido à presença de carbono livre, em veios 
de grafita. 
 
 21 
 
ENGENHARIA DE PRODUÇ ÃO 
MATERIAIS DE CONSTRUÇ ÃO MECÂNICA IV 
Alexandre Alvarenga Palmeira, MSc 
 
 22 
 
Figura 4- 13: Propriedades mecânicas dos aços em função do teor de carbono. 
 
III.7.2 Influência do Silício 
 Os ferros fundidos mais usados são os cinzentos, caracterizados pela presença de 
silício, geralmente em teores superiores a 2,0%. A presença desse elemento, além de 
outros fatores a serem posteriormente considerados, produz uma decomposição do Fe3C, 
em Fe e C, este último na forma de grafita. Por essa razão, o silício é freqüentemente 
chamado elemento "grafitizante". A forma e a distribuição dos veios de grafita variam, o 
que levou associações técnicas, como a ASTM (American Society for Testing Material) e a 
AFS (American Foundrymen's Society) a promover a sua classificação em cinco tipos: 
a) Irregular desorientada; 
b) Em roseta; 
c) Desigual irregular; 
d) Interdendrítica desorientada; 
e) Interdendrítica orientada; 
que conferem propriedades diferentes aos vários tipos. de ferros fundidos cinzentos. 
	INTRODUÇÃO
	DEFINIÇÕES DE MATERIAIS
	DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
	CONCEITOS BÁSICOS
	CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
	Lei ou Regra das Fases de Gibbs
	Energia Livre
	CONSTRUÇÃO DOS DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
	TIPOS DE DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
	Diagrama Unário
	Diagramas Binários
	SISTEMAS DE EQUILÍBRIO
	Sistemas Isomorfos\(Erro! Indicador não definid�
	Sistemas Eutéticos
	Sistemas Eutectoide
	Diagrama de Equilíbrio Fe-C
	Influência da Temperatura
	Influência dos Elementos de Ligas
	Influência do Carborno
	Influência do Silício