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Aula4_Diagrama de fase Fe_C

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Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
O sistema Ferro-Carbono 
 
 
 Os aços são fundamentalmente ligas 
ferro-carbono. 
 O carbono é uma impureza 
intersticial no ferro. 
 
Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
 A figura a seguir apresenta uma parte do 
diagrama de fase entre o ferro e o carbeto de 
ferro (Fe-Fe3C). 
 A parte que corresponde a composições 
localizadas entre 6,7 e 100%p C não está 
mostrada, porque, na prática, todos os aços e 
ferros fundidos possuem teores de carbono 
inferiores a 6,7%p C. 
Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
Diagrama de 
fase 
 Fe-Fe3C. 
Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
 Nas ligas de ferro-carbono, o carbono que 
excede o limite de solubilidade deve formar 
uma segunda fase: o carbeto de ferro (Fe3C), 
chamado cementita. 
 
Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
 Isto não significa que o carbeto de ferro forme 
moléculas de Fe3C, mas, simplesmente, que o 
reticulado cristalino contém átomos de ferro e de 
carbono numa proporção de 3 para 1, respectivamente. 
 
 O Fe3C tem uma célula unitária ortorrômbica com 12 
átomos de ferro e 4 átomos de carbono por célula. 
 
 O ferro puro ao ser aquecido sofre duas alterações na 
sua estrutura cristalina antes de se fundir: 
 
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Prof. Marcelo Zampieri 
 À temperatura ambiente a forma estável é a ferrita 
(ou ferro ), que possui uma estrutura cristalina CCC. 
 
 A ferrita sofre uma transformação alotrópica para 
austenita (ou ferro ), com estrutura cristalina CFC, à 
temperatura de 912C. 
 
 Essa austenita persiste até 1394C, quando ela 
reverte novamente para uma fase com estrutura CCC, 
chamada de ferrita . 
 
 A ferrita  se funde a uma temperatura de 1538C. 
Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
 Obs.: nas transformações alotrópicas, surge 
uma nova fase, com nova coordenação atômica, 
mas não há a variação na composição 
 A'Fase A Fase


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Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
 O carbono forma uma solução sólida tanto com a ferrita 
 como com a ferrita , e também com a austenita. 
 
 Na ferrita  (CCC) somente pequenas concentrações 
de carbono são solúveis. A solubilidade máxima é de 
0,02%p a 727C. 
 
 Os interstícios de uma estrutura CCC da ferrita  são 
pequenos e pronunciadamente alongados, não podendo 
acomodar com facilidade nem mesmo um pequeno 
átomo esférico de carbono. 
Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
 A solubilidade máxima do carbono na austenita (CFC), 
2,11%p, ocorre a 1148C. É quase 100 vezes maior 
que o valor máximo para a ferrita . 
 
 A estrutura CFC da austenita tem espaçamentos 
interatômicos maiores que os da ferrita. 
 A austenita não é estável a uma temperatura inferior a 
727C. 
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Solubilidade de carbono em ferro. 
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Curso de Engenharia 1º/2013 
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 A cementita se forma quando o limite de solubilidade 
para o carbono na ferrita  é excedido a temperatura 
abaixo de 727C (para composições dentro da região 
das fases +Fe3C). 
 A cementita também coexistirá com a fase  entre as 
temperaturas 727C e 1148C. 
 
 Pode ser observado no diagrama de fase ferro-carbeto 
de ferro a existência de um ponto eutético. 
 A composição eutética corresponde a 4,3% em peso de 
carbono. A temperatura eutética é 1148C. 
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 Para essa reação eutética, o líquido de composição 
eutética se solidifica para formar as fases austenita e 
cementita: 
 
 
 
 ou 
 
CFe L 3OAQUECIMENT
TORESFRIAMEN

 
 
C) (6,7%p CFe C) (2,11%p )C p%3,4( L 3
C1148


 

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 Pode ser observado no diagrama de fase ferro-carbeto 
de ferro a existência de um ponto invariante eutetóide. 
 A composição eutetóide corresponde a 0,77% em peso 
de carbono. A temperatura eutetóide é 727C. 
 
 Para essa reação eutetóide, a austenita de composição 
eutetóide se transforma em ferrita e cementita: 
 
 
 
 A figura a seguir mostra a região eutetóide em detalhe 
maior. 
C) (6,7%p CFe C) (0,02%p )C p%77,0( 3
C727


 


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A região eutetóide do diagrama de fase Fe-Fe3C. 
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 No esquema de classificação das ligas ferrosas com 
base no teor de carbono, existem três tipos de ligas: 
ferro, aço e ferro fundido. 
 O ferro puro comercial contém menos de 0,008%p C. É 
composto na temperatura ambiente quase que 
exclusivamente pela fase ferrita. 
 Classificam-se como aços as ligas ferro-carbono que 
contenham entre 0,008 e 2,11%p C. 
 Na maioria dos aços a microestrutura consiste tanto de 
fase  como de fase Fe3C. 
 Na prática, as concentrações de carbono raramente 
excedem 1,0%. 
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 Classificam-se como ferros fundidos as ligas ferrosas 
que contenham entre 2,11 e 6,7%p C. 
 
 Entretanto, os ferros fundidos comerciais normalmente 
contêm menos que 4,5%p C. 
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 Com a importância do carbono no aço tornou-se 
desejável indicar o seu conteúdo no esquema de 
identificação dessa liga. 
 
 Se um aço for constituído exclusivamente de ferro e 
carbono, ele será chamado um aço carbono comum, ou 
simplesmente, um aço carbono. 
 O termo aço de baixa liga é usado os casos em que se 
adicionam até 5% em elementos de liga tais como Ni, 
Cr, Mo, Mn ou Si. 
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 Para a nomenclatura de aços, é usado um sistema de 
quatro algarismos, nos quais os dois últimos indicam 
os centésimos percentuais do conteúdo de carbono. 
 
 Os dois primeiros algarismos codificam o tipo de 
elemento de liga adicionado ao ferro e ao carbono. 
 Por exemplo, um aço 1040 tem 0,4% de carbono. 
 A classificação 10xx é reservada aos aços ao carbono 
comuns cujo eventual conteúdo de elementos de liga 
constitui um mínimo relevante. 
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 Durante o resfriamento lento, para o qual o equilíbrio é 
mantido continuamente, uma austenita de composição 
eutetóide (0,77%p C) se decompõe em ferrita e 
cementita. 
 A decomposição é uma reação eutetóide: 
C) (6,7%p CFe C) (0,02%p )C p%77,0( 3
C727  

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 Como ferrita e cementita se formam simultaneamente, 
resultam intimamente misturadas. 
 
 Caracteristicamente, a mistura é lamelar, ou seja, a 
microestrutura consiste em camadas alternadas ou 
lamelas compostaspelas duas fases ( e Fe3C). 
 Essa microestrutura é denominada perlita. 
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Curso de Engenharia 1º/2013 
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 A figura a seguir ilustra esquematicamente as 
alterações microestruturais que acompanham a reação 
eutetóide. 
 
 Os átomos de carbono se difundem para longe das 
regiões da ferrita e em direção às camadas de 
cementita, à medida que a perlita se estende do 
contorno do grão para o interior do grão de austenita 
não reagido. 
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 Representação esquemática 
da formação da perlita a 
partir da austenita (a direção 
da difusão do carbono está 
indicada pelas setas). 
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 A figura a seguir é uma representação esquemática do 
desenvolvimento das microestruturas, durante a 
solidificação em condições de equilíbrio, para uma liga 
ferro-carbono de composição eutetóide (0,77%p C) 
acima e abaixo da temperatura eutetóide. 
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Austenita 
Ferrita + Sementita 
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 A figura a seguir é uma fotomicrografia de um aço 
eutetóide mostrando a microestrutura perlita, que 
consiste em camadas alternadas de ferrita  (a fase 
clara) e Fe3C (camadas finas, as quais a maioria 
aparece escura). 
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 Uma liga (ferro-carbeto de ferro) com composição à 
esquerda do ponto eutetóide (que contenha entre 0,02 
e 0,77%p C) é conhecida como liga hipoeutetóide. 
 Literalmente, aço hipoeutetóide é aquele que possui 
menos carbono que o previsto na composição 
eutetóide. 
 O resfriamento de uma liga hipoeutetóide, a 
temperatura abaixo da eutetóide, produzirá uma 
microestrutura onde a ferrita  estará presente na 
perlita, e também como a fase que se formou enquanto 
se resfriava ao longo da região das fases +. 
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 A ferrita que está presente na perlita é chamada de 
ferrita eutetóide. 
 A ferrita que se formou a temperaturas acima da 
temperatura eutetóide é conhecida como ferrita 
proeutetóide. 
 A figura a seguir apresenta uma representação 
esquemática do desenvolvimento das microestruturas, 
durante a solidificação em condições de equilíbrio, para 
uma liga (ferro-carbeto de ferro) de composição 
hipoeutetóide C0 (contendo menos que 0,77%p C) 
acima e abaixo da temperatura eutetóide. 
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Austenita 
Ferrita 
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 Fotomicrografia de um aço com 0,38%p C (hipoeutetóide) que possui uma 
microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetóide. 
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 Uma liga ferro-carbeto de ferro com composição à 
direita do ponto eutetóide (que contenha entre 0,77 e 
2,11%p C) é conhecida como liga hipereutetóide. 
 Literalmente, aço hipereutetóide é aquele que contém 
carbono acima que o previsto na composição 
eutetóide. 
 O resfriamento de uma liga hipereutetóide, a 
temperatura abaixo da eutetóide, produzirá uma 
microestrutura composta de ferrita  e cementita. 
Eng. e Ciência dos Materiais 
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 A cementita estará presente na perlita, e também como 
a fase que se formou enquanto se resfriava ao longo 
da região das fases  +cementita. 
 
 A cementita que está presente na perlita é chamada de 
cementita eutetóide. 
 
 A cementita que se formou a temperaturas acima de 
eutetóide é chamada cementita proeutetóide. 
Eng. e Ciência dos Materiais 
Curso de Engenharia 1º/2013 
Prof. Marcelo Zampieri 
 Representação esquemática 
do desenvolvimento das 
microestruturas, durante a 
solidificação em condições 
de equilíbrio, para uma liga 
ferro-carbeto de ferro de 
composição hipereutetóide 
C1 (contendo entre 0,77 e 
2,11%p C) acima e abaixo da 
temperatura eutetóide. 
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Prof. Marcelo Zampieri 
 Fotomicrografia de 
um aço com 1,4%p C 
(hipereutetóide) que 
possui uma 
microestrutura composta 
por uma cementita 
proeutetóide (branca), que 
envolve as colônias de 
perlita. 
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 As adições de outros elementos de liga (Cr, Ni, Ti etc.) 
trazem alterações no diagrama de fases binário para o 
sistema ferro-carbeto de ferro. 
 
 Uma das importantes alterações é o deslocamento da 
posição eutetóide em relação à temperatura e à 
concentração de carbono, conforme figuras a seguir. 
Essas curvas são valiosas porque permitem predizer a 
temperatura de austenização para o tratamento térmico 
de aços de baixa liga. 
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 A dependência da temperatura eutetóide em função da concentração 
da liga para vários elementos de liga no aço. 
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 A dependência da composição eutetóide (%p C) em função da 
concentração da liga para vários elementos de liga no aço. 
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Prof. Marcelo Zampieri 
 Exemplo 01 
 
 Uma liga de composição hipoeutetóide 99,5%p 
Fe-0,5%p C é fundida e resfriada lentamente à 
temperatura eutetóide 727C. Determine a 
quantidade de perlita que se forma para cada 
100 g de aço. 
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 Exemplo 02 
 
 Uma liga de composição hipoeutetóide 99,5%p 
Fe-0,5%p C é fundida e resfriada lentamente à 
727C (-). Determine a quantidade de ferrita e 
cementita que se formam para cada 100 g de 
aço. 
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