Diagrama Fe C Aula 02

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Prof. Dr. Otavio Rocha 
Aula 02 –Diagrama de 
Equilíbrio-Fe-C 
OTÁVIO FERNANDES LIMA DA ROCHA 
Engenheiro Mecânico - Dr. Em Engenharia Mecânica 
otavio.rocha@ifpa.edu.br 
otvrocha@oi.com.br 
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Ferros 
Família dos aços 
Família dos ferros fundidos 
Soluções sólidas: 
 Ferro  
 Austenita  
 Ferrita  
Composto estequiométrico: 
 Cementita Fe3C 
Reações: 
 peritética 
 eutética 
 eutetóide 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
fofos aços 
Fe 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Aços Ligas ferro-carbono com teor de carbono até 2,11% em peso 
OBSERVAÇÕES 
Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos 
Aço comum ao carbono: carbono é o principal elemento de liga. Contém 
apenas impurezas em concentrações residuais e um pouco de manganês 
Aço-liga: mais elementos liga são adicionados intencionalmente em 
concentrações específicas 
As propriedades variam com o teor de carbono. A medida que aumenta: 
 Aumenta a resistência à tração até 1% de Carbono, decrescendo para 
 teores mais elevados 
 A dureza aumenta continuamente 
 Diminui a ductilidade 
Ferro Existe na natureza na forma de óxidos, nos minérios de ferro 
É extraído por meio de aquecimento em presença de coque ou carvão de 
madeira, em fornos adequados nos quais o ferro é reduzido e ligado ao 
carbono 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Ferro fundido Produtos obtidos por fusão com mais de 2,11% 
em peso de carbono 
OBSERVAÇÕES 
Produtos siderúrgicos comuns: aços e ferros fundidos 
A medida que se aumenta o teor de carbono, menores são as temperaturas 
necessárias para a fusão do material, até 4,3% de carbono 
Como os FoFos fundem cerca de 300°C abaixo dos aços seu custo de 
produção é menor 
Em geral, os ferros fundidos são 
 frágeis, que só resistem bem à compressão 
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Ferro puro Transformações de fases: antes da temperatura de fusão, 
o ferro muda duas vezes de estrutura cristalina 
Fe - CCC 
Fe - CCC 
Fe - CFC 
Fe - líquido 
910°C 
1400°C 
1540°C 
Eixo esquerdo do diagrama: 
Ferrita ou ferro-: estável na temp. ambiente 
 estrutura CCC 
Austenita ou ferro-: estável entre 910°C e 1400°C 
 estrutura CFC 
Ferro-: estável entre 1400°C e 1540°C 
 estrutura CCC 
Transformação 
polimórfica do ferro 
Cementita ou 
Carbeto de Ferro 
Composto intermetálico estequiométrico 
Com 6,67% em peso de Carbono – Fe3C 
Eixo direito do diagrama: 
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Transformação polimórfica do ferro 
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DIAGRAMA DE FASES DO 
SISTEMA Fe C 
Carbono impureza intersticial 
forma solução sólida com o ferro 
 
 
 
Ferro - : solução 
sólida de C no Fe CCC 
Ferro -  (austenita): 
solução sólida de C no 
Fe CFC 
Ferro -  (ferrita): 
solução sólida de C no 
Fe CCC 
Soluções sólidas 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Ferro - : solução sólida de C no Fe CCC 
É virtualmente a mesma ferrita-, apenas ocorrendo em uma faixa 
mais elevada de temperatura – não tem importância tecnológica 
Ferro -  (austenita): solução sólida de C no Fe CFC 
Máxima solubilidade – em 1147°C – 2,14% em peso de C 
Na faixa em que é estável, a austenita é mole e dúctil 
Ferro -  (ferrita): solução sólida de C no Fe CCC 
Máxima solubilidade – em 727°C – 0,022% em peso de C 
Material mole e dúctil 
Na pureza em que é encontrada, seu limite de resistência 
é inferior a 32Kgf/mm2 
Características das Soluções sólidas 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Solubilidade das Soluções sólidas 
A solubilidade limitada pode ser explicada pela forma e tamanho das posições 
intersticiais nas estruturas cristalinas CCC e CFC 
Na estrutura cristalina CCC – as posições intersticiais tornam 
difícil a acomodação dos átomos de carbono 
Na estrutura cristalina CFC – as posições intersticiais são maiores 
A solubilidade na austenita é cerca de 100 vezes maiores do que a 
máxima solubilidade na ferrita 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Solubilidade das Soluções sólidas 
Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em 
, , e . Para estes resultados explique a diferença da máxima solubilidade do 
carbono em cada fase. Os raios atômicos são mostrados na Tabela. 
Átomo Estrutura Raio (nm) 
 cristalina 
Fe  0,124 
Fe  0,129 
Fe  0,127 
C 0,071 
Tamanho dos átomos do aço, dependendo da estrutura cristalina 
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Solubilidade das Soluções sólidas 
Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em 
, , e . Para estes resultados explique a diferença da máxima solubilidade do 
carbono em cada fase. Os raios atômicos são mostrados na Tabela. 
Células unitárias do aço CFC e CCC, incluindo os sítios intersticiais do carbono 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Solubilidade das Soluções sólidas 
Exemplo 8: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em 
, , e . 
(RFe+rintersticial)
2=(a0/4)
2 + (a0/2)
2 
 = (5/16) a0
2 
 = (5/16) (4RFe/3
½) 
 RFe+rintersticial = 5
½RFe /3
½ 
 
 rintersticial = 0,291 
 RFe 
FeCCC maior sítio intersticial 1/2, 0, 1/4 
RFe/rinterstício= ? 
 
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DIAGRAMA DE FASES DO 
SISTEMA Fe C 
Solubilidade das Soluções sólidas 
Exemplo 1: Calcule o tamanho dos sítios intersticiais do átomo de carbono em 
, , e . 
FeCFC maior sítio intersticial 1/2, 0, 0 
RFe/rinterstício= ? 
 
2RFe+2rintersticial=a0
 
 = 4RFe/2
½ 
 RFe+rintersticial = 2
½RFe 
 
 
 rintersticial = 0,414 
 RFe 
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Reações: 
Peritética:  + L   
temperatura peritética: 1495°C 
composição peritética: 0,25%C 
ponto peritético: 1495°C e 0,25%C 
 
Eutética: L   + Fe3C 
temperatura eutética: 1148°C 
composição eutética: 4,3%C 
ponto eutético: 1148°C e 4,3%C 
 
Eutetóide:    + Fe3C 
temperatura eutetóide: 727°C 
composição eutetóide: 0,77 %C 
ponto eutetóide: 727°C e 0,77%C 
 
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
 
6,67 
Reação eutetóide:  0,77%C  0,02%C + Fe3C 6,67%C 
a 727°C 
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DIAGRAMA DE FASES DO 
SISTEMA Fe C 
Grão e estrutura da perlita (a) redistribuição do carbono no aço, (b) micrografia da perlita 
lamelar. 
Reação eutetóide:  0,77%C   0,02%C + Fe3C 6,67%C 
PERLITA 
PERLITA: microestrutura bifásica resultantes da transformação da austenita com 
composição eutetóide. Consiste de camadas alternadas de ferrita e cementita 
relativamente finas 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Exemplo 2: Calcule o percentual de cementita e ferrita na perlita, quando de sua 
formação a 727°C. 
0,02 
0,77 
6,67 
Regra da alavanca 
%7,88100*
02,067,6
77,067,6
% 



%3,11100*
02,067,6
02,077,0
% 3 


CFe
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
 
Reação eutetóide:  0,77%C   0,02%C + Fe3C 6,67%C 
PERLITA 
0% PERLITA a 
727°C 
   + Fe3C 
 
 0% 0% 
0% PERLITA a 
727°C 
   + Fe3C 
 
 0% 0% 
100% PERLITA a 
727°C 
   + Fe3C 
 
 100% 100%Prof. Dr. Otavio Rocha 
Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono 
Aço de composição eutetóide 
Formação da perlita 
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Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono 
 
Aço de composição eutetóide 
100% perlita 
 
Eutetóide:    + Fe3C 
 
Microestrutura de um aço 100% perlítico 
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Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono 
Aço de composição 
hipoeutetóide 
Microestrutura de perlita e ferrita pró-
euteóide. Aço contendo 0,38% de C. 
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Desenvolvimento das Microestruturas em Ligas ferro-carbono 
Aço de composição 
hipereutetóide 
Microestrutura de perlita e cementita 
pró-euteóide. Aço contendo 1,4% de C 
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Exemplo 3: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
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Exemplo 4: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
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Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS 4.6 Diagrama de fases 
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Exemplo 4: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
B - 727°C 
Fases Presentes:  
 Composição das Fases: 
  0,01% C 
 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 100%  
 
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS 4.6 Diagrama de fases 
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Exemplo 4: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
C - 400°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 6,67-0,01 *100 = 99,85% 
 6,67 
 % Fe3C = 0,01 *100= 0,15% 
 6,67 
 
Fases Presentes:  
 Fe3C 
 Composição das Fases: 
  0,0001% C 
 Fe3C 6,67% C 
Ciência dos Materiais-DEMAT-EE-UFRGS 4.6 Diagrama de fases 
DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Exemplo 4: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
 
 
 
 
Exemplo 4: Para uma liga FeC com 0,01%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
727°C e 400°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
 
 
 
 
Fe3C 
 
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Exemplo 5: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
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Exemplo 5: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
Fases Presentes:  
 Composição das Fases: 
  0,25% C 
 
A - 1000°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 100%  
 
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Exemplo 5: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
B - 800°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 0,5-0,25 *100 = 51, 5% 
 0,5-0,015 
 %  = 0,25-0,015 *100= 48,5% 
 0,5-0,015 
 
Fases Presentes:  
  
 Composição das Fases: 
  0,015% C 
  0,5% C 
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Exemplo 5: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
C - 730°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 0,75-0,25 *100 = 68,4% 
 0,75-0,019 
 %  = 0,25-0,019 *100= 31,6% 
 0,75-0,019 
 
Fases Presentes:  
  
 Composição das Fases: 
  0,019% C 
  0,75% C 
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DIAGRAMA DE FASES DO SISTEMA Fe C 
Exemplo 5: Para uma liga FeC com 0,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C.Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
D - 720°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 6,67-0,25 *100 = 96,5% 
 6,67-0,019 
 % Fe3C = 0,25-0,019 *100= 3,5% 
 6,67-0,019 
 
Fases Presentes:  
 Fe3C 
 Composição das Fases: 
  0,019% C 
 Fe3C 6,67% C 
Exemplo 6: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada. 
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Exemplo 6: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
Fases Presentes:  
 Composição das Fases: 
  1,25% C 
 
A - 1000°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 100%  
 
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Exemplo 6: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
B - 800°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 6,67-1,25 *100 = 97,3% 
 6,67-1 
 % Fe3C = 1,25-1 *100= 2,7% 
 6,67-1 
 
Fases Presentes:  
 Fe3C 
 Composição das Fases: 
  1% C 
 Fe3C 6,67% C 
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Exemplo 7: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
C - 730°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 6,67-1,25 *100 = 92,3% 
 6,67-0,80 
 % Fe3C = 1,25-0,8 *100= 7,7% 
 6,67-0,80 
 
Fases Presentes:  
 Fe3C 
 Composição das Fases: 
  0,80% C 
 Fe3C 6,67% C 
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Exemplo 7: Para uma liga FeC com 1,25%C determine as fases presentes, 
proporção e composição de cada fase para as temperaturas de 1000°C, 
800°C, 730°C e 720°C. Desenhe a microestrutura esperada. 
B 
A 
C 
D 
D - 720°C 
 
 Proporção das Fases: 
 %  = 6,67-1,25 *100 = 81,5% 
 6,67-0,019 
 % Fe3C = 1,25-0,019 *100= 18,5% 
 6,67-0,019 
 
Fases Presentes:  
 Fe3C 
 Composição das Fases: 
  0,019% C 
 Fe3C 6,67% C 
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Resfriamento fora das condições de equilíbrio 
Condições de equilíbrio: resfriamento muito lento com tempo suficiente para que 
 as reações previstas no Diagrama de fases ocorram 
Na maioria das vezes, as taxas são muito lentas e nem sempre necessárias 
Em muitas ocasiões não desejáveis condições fora do equilíbrio. Podem ocorrer: 
 1) mudanças ou transformações de fases em temperaturas não 
previstas pelas curvas dos diagramas de fases 
 2) existência, à temperatura ambiente, de fases fora do equilíbrio que 
não aparecemno diagrama de fases 
Ex.: MARTENSITA  Fase formada como resultado da transformação de uma baixa difusão 
 no estado sólido, através de um tratamento térmico (têmpera) 
  Fase metaestável TCC formada por Fe supersaturado com C. 
Célula unitária da martensita – tetragonal de corpo centrado – comparada 
com uma célula unitária da austenita – cúbica de face centrada 
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Influência de outros elementos de liga 
Adição de outros elementos de liga alterações nos diagramas de fases 
As alterações dependem do tipo específico do elemento e de sua concentração 
 Ex.: Deslocamento da posição eutetóide em relação à 
 temperatura e à concentração de carbono. 
Efeito de 6% de manganês na porção 
eutetóide de um diagrama de fases 
Fe - Fe3C 
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