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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: Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 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 912C. Essa austenita persiste até 1394C, quando ela reverte novamente para uma fase com estrutura CCC, chamada de ferrita . A ferrita se funde a uma temperatura de 1538C. 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 Eng. e Ciência dos Materiais 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 727C. 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 1148C. 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 727C. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Solubilidade de carbono em ferro. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri A cementita se forma quando o limite de solubilidade para o carbono na ferrita é excedido a temperatura abaixo de 727C (para composições dentro da região das fases +Fe3C). A cementita também coexistirá com a fase entre as temperaturas 727C e 1148C. 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 1148C. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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 Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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 727C. 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 Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri A região eutetóide do diagrama de fase Fe-Fe3C. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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%. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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 Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Representação esquemática da formação da perlita a partir da austenita (a direção da difusão do carbono está indicada pelas setas). Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Austenita Ferrita + Sementita Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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). Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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 +. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Austenita Ferrita Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Fotomicrografia de um aço com 0,38%p C (hipoeutetóide) que possui uma microestrutura composta por perlita e ferrita proeutetóide. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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 Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri 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. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri A dependência da temperatura eutetóide em função da concentração da liga para vários elementos de liga no aço. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri A dependência da composição eutetóide (%p C) em função da concentração da liga para vários elementos de liga no aço. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 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 727C. Determine a quantidade de perlita que se forma para cada 100 g de aço. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri Exemplo 02 Uma liga de composição hipoeutetóide 99,5%p Fe-0,5%p C é fundida e resfriada lentamente à 727C (-). Determine a quantidade de ferrita e cementita que se formam para cada 100 g de aço. Eng. e Ciência dos Materiais Curso de Engenharia 1º/2013 Prof. Marcelo Zampieri
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